Iturri puntual batetik hedatzen diren uhin optikoek uhin-fronte zirkularrak izan ohi dituzte. “Ur-gainazal batera harri bat jaurtitzen denean sortzen diren uhinak bezala”, adierazi du Peining Li ikertzaileak (doktoretza osteko nanoGUNEko ikertzailea eta artikuluaren egile nagusia). Hedapen zirkular horren arrazoia da argia hedatzen den ingurunea homogeneoa eta isotropikoa izan ohi dela, alegia, uniformea dela norabide guztietan.

Zientzialariek teorikoki iragarria zeukaten espezifikoki egituratutako gainazalek argia “hankaz gora” jar dezaketela argia haietan zehar hedatzen denean. “Gainazal horiei metagainazal hiperboliko esaten zaie, eta iturri puntual batetik igorritako uhinak norabide jakin batzuetan eta uhin-fronte irekiekin (ahurrak) hedatzen dira gainazal horietan zehar”, azaldu du Javier Alfaro ikertzaileak (nanoGUNEko doktoretza-ikaslea eta artikuluaren egilekideetako bat). Norabide jakin batzuetan bakarrik hedatzen direnez eta, gainera, argiak espazio zabalean edo uhin-gidari estandarretan izan ohi dituen uhin-luzerak baino askoz uhin-luzera txikiagoekin hedatzen direnez, seinaleak hautemateko eta prozesatzeko gailu optikoak miniaturizatzen lagundu lezakete.

Orain, argi infragorrirako metagainazal bat garatu dute ikertzaileek. Boro nitruroan oinarrituta dago; grafenoaren antzeko 2Dko materiala da, eta argi infragorria luzera-eskala arras txikietan manipulatzeko gaitasunagatik hautatu dute. Halaber, sentsore kimiko miniaturizatuak garatzeko edo gailu optoelektronikoetan beroa nanoeskalan kudeatzeko erabili ahal izango litzateke. Bestalde, uhin-fronte ahurrak zuzenean ikustea lortu dute, mikroskopio optiko berezi bat erabiliz, eta orain arte oso zaila izan da horiek ikusi ahal izatea.

Metagainazal hiperbolikoak fabrikatzea zaila da oso, eskala nanometrikoko egitura oso zehatza behar baitute. Irene Dolado nanoGUNEko doktoretza-ikasleak eta Saül Velez nanoGUNEko doktoretza osteko ikertzaile ohiak (orain ETH Zürich-en dago) erronka hori gainditu dute, elektroi-sorta bidezko litografiaren eta Kansas Estatuko Unibertsitateak helarazitako kalitate handiko boro nitrurozko xafla txikien grabatuaren bidez. “Hainbat optimizazio egin ondoren, behar genuen doitasuna lortu dugu, eta 25 nm-rainoko tamaina-tarteko sareta-egiturak lortu ditugu”, azaldu du Doladok. “Fabrikazio-metodo horiek berak beste material batzuetan ere erabil daitezke, eta horrek bidea zabal dezake propietate optiko pertsonalizatuko metagainazal egituratu artifizialak egiteko”, erantsi du Saül Vélezek.

Teoriatik errealitatera 

Uhinak metagainazalean nola hedatzen diren ikusteko, ikertzaileek abangoardiako nanoirudi infragorriko teknika bat erabili dute, nanoGUNEko Nanooptikako taldeak berak garatu duena. Lehenengo, urrezko nanoantena infragorri bat ezarri zuten metagainazalaren gainean. “Nanoantenak uretara jaurtitako harri baten funtzioa egiten du horrela”, dio Peining Lik. Nanoantenak argi infragorri intzidentea kontzentratzen du foku txiki batean, eta metagainazalaren gainean hedatzen diren uhinak jaurtitzen ditu horrek. Eremu hurbileko ekorketa-mikroskopio optiko baten laguntzarekin (s-SNOM), ikertzaileek uhinen irudiak atera zituzten. “Zoragarria izan zen irudiak ikustea. Izan ere, urrezko nanoantenatik hedatzen ziren uhin-fronteen kurbadura ahurra bistaratu zuten, teoriak iragarri bezalaxe”, dio Rainer Hillenbrand nanoGUNEko Ikerbasque ikertzaile eta ikerketaren zuzendariak.

Ikerketaren emaitzek etorkizun oparoa dute, eta bide berriak ireki dizkiete material bidimentsionaleko nanoegiturei, metagainazal hiperbolikoz osatutako gailuetarako eta zirkuituetarako plataforma berritzaile gisa erabiltzeko. Are gehiago, emaitzek frogatu dute nola eremu hurbileko mikroskopia erabilgarria den material anisotropikoetako fenomeno optikoak agerian uzteko eta metagainazalak diseinatzeko printzipio berriak egiaztatzeko.

Ikerketaren finantziazioa nagusiki Europar Batasunaren Marie Sklodowsca-Curie Actions banakako diru-laguntzetatik eta Eusko Jaurlaritzaren eta Espainiako Gobernuaren doktoretza aurreko ikerketarako beka-programetatik dator, bai eta Estatu Batuetako Nacional Science Foundation-etik ere, eta Graphene Flagship europar ekimenaren barneko nanoGUNEko proiektuekin bat gauzatu da.

Light refraction accounts for the change of direction and speed that a wave undergoes when passing from one medium to another. Glasses and contact lenses, microscopes and telescopes, or something as commonplace as the fact that a pencil inserted into a glass of water appears bent when viewed from the outside, have their origin in the optical phenomenon of refraction.

Terahertz radiation has become an important diagnostic tool in the development of new technologies. However, the diffraction limit prevents terahertz radiation (λ ≈ 0.01–3 mm) from being focused to the nanometer length scale of modern devices. In response to this challenge, terahertz scanning probe microscopy techniques based on coupling terahertz radiation to subwavelength probes such as sharp tips have been developed.

Focusing of light into the nanoscale represents a landmark for the implementation of nanotechnology in optics and biochemistry. Based on the exotic propagation of light in highly anisotropic materials (where light propagates in the form of rays along specific directions), a research team led by the University of Oviedo has demonstrated the focusing of infrared light into extraordinarily small regions.

Polaritons are hybrid states of light and matter that arise from the coupling of light with matter excitations. Plasmon and phonon polaritons are among the most prominent examples, formed by the coupling of light to collective electron oscillations and crystal lattice vibrations, respectively. They play a crucial role in various applications, from sub-diffraction optical spectroscopy and ultrasensitive chemical sensors to ultracompact modulators for communication applications.

s-SNOM eta nano-FTIR irudi optikoak hartzeko eta espektroskopiako tresna berdingabeak dira, eta nanoeskalako irudiak zein espektroskopia espektro-maila zabal batean egiteko aukera ematen dute, maiztasun ikusgaien eta terahertz-maiztasunen artean. Rainer Hillenbrand teknika horiek garatzen eta merkaturatzen parte hartu zuen ikertzaileetako bat da, eta fenomeno optikoen eta nanoeskalako materialen propietateen ikerketa esperimentalerako eremu berri bat ireki zuen.

Edoardo Vicentini, nanoGUNEko ikertzailea, Bernard J. Couillaud sariaren irabazle izendatu dute Femtosegundoen maiztasuneko orraziekin difrakzio optikoko tomografian egiten duen ikerketarengatik.  

Donostian, 2014ko uztailaren 16an. NanoGUNE eta UPV/EHUko Ikerbasque ikertzaile den Rainer Hillenbrandi eman diote 2014ko Ludwig-Genzel saria, "eremu hurbileko espektroskopia infragorriko diseinuagatik eta garapenagatik, eta metodo espektroskopiko berri horrek natura-zientzietako zenbait alorretan duen”.

2008an, nanoGUNEko proiektuarekin bat egin zuen Hillenbrandek Nanooptika taldeko arduradun eta Ikerbasque ikertzaile gisa. Ondoren, hainbat alorretan aplikatu izan du bere teknika abangoardiako ikerketa egiteko; besteak beste, egoera solidoko oinarrizko fisikan, materialen zientzian, bizitza-zientzian eta nanofotonikan. Aurrerapen nagusien artean, aipatzekoak ditu Fourierren transformatuaren bidezko espektroskopia infragorria (nano-FTIR), non bereizmen espaziala (espektroskopia konbentzionalekoarekin alderatuta) 100 aldiz handiagoa den. Gaur egun, nanomaterialen identifikazio kimikorako, proteinak ikertzeko eta grafenoan oinarritutako nanofotonika garatzeko aplikatzen ditu Hillenbrandek teknika horiek. Sariaren epai-mahaiaren iritziz, gainazalak irudikatzeko teknika iraultzaile horri esker erregimen ikusgarritik mikrouhin-erregimenera arteko neurketa espektralak egin daitezke, orain arte sekula ikusi gabeko bereizmen espazialarekin egin ere. Hillenbranden lanak “izugarri ongi uztartzen ditu ingeniaritzaren trebetasunak eta zenbait alorrekin lotutako arazo zientifikoen ikuspegi sakona, oinarrizko arazoei aurre eginez eta gerora garapen industriala izango duten hainbat aplikazio jorratuz”.

Ludwig-Genzel saria

Materia kondentsatuaren espektroskopiaren alorrari aparteko ekarpenak egin dizkieten zientzialari gazteen artean hautatzen da Ludwig-Genzel sariketako irabazlea. Ludwig Genzelen lanean, infragorri urrunaren espektro-tarteari buruzkoa izan da ekarpen nagusia. Diploma eta 4.000 euro jasotzen ditu saridunak. Bruker Óptica (Ettlingen) da sariketaren babeslea. Bi urtez behin eman ohi da saria, International Conference on Low Energy Electrodynamics in Solids (LEES) konferentzian. Aurtengoan, hauek izan dira hautaketa-batzordeko kideak: Martin Dressel, lehendakaria (Stuttgarteko Unibertsitatea, Alemania); Leonardo Degiorgi (EHT Zürich, Suitza), Jan Petzelt (Zientzia Akademia, Praga, Txekiar Errepublika), Karl Renk (Regensburgeko Unibertsitatea, Alemania) eta Hartmut Roskos(Frankfurteko Unibertsitatea, Alemania).

CIC nanoGUNE ikerketa-zentroko, Berlingo Unibertsitate Libreko eta Neaspec erakundeko ikertzaile-talde batek, nano-FTIR espektroskopia erabiliz, proteinen identifikazio kimikoa eta estrukturala egin dute bereizmen espazial nanometrikoan eta proteina bakarreko konplexuekiko bereizmena attogramo bat (10-18 gramo) baino txikiagoa izanda. Nature Communications aldizkarian argitaratu dute berriki lana (I. Amenabar et al., Nature Communications, 2013, DOI:10.1038/ncomms3890).

Proteinak bizitzaren oinarrizko osagaiak dira. Proteinen kimika eta egitura funtsezkoak dira beren funtzioa betetzeko. Hain zuzen, proteina baten egiturak mugatzen du zer propietate mekaniko eta katalitiko izango dituzten, adibidez, entzimek. Funtzio horiek ematen diete forma egiazki bizidun guztiei. Gainera, proteinen egiturak ere zeregin garrantzitsua du gaixotasun askotan. Adibidez, proteina jakin baten egitura sekundarioa bat edo beste izatea (helize-formako (alfa) edo tolestutako orriaren itxurako (beta) barne egitura izatea), oso garrantzitsua da alzheimerra, parkinsona eta beste neuroendekapenezko gaixotasun sortzen dituen mekanismo patogenoarentzat. Proteinen kimika eta egitura aztertzeko zenbait metodo garatu badira ere, erronka handia da oraindik eskala nanometrikoan egitura sekundarioari antzematea eta horren mapa egitea, edo proteina bakarreko bereizmena lortzea. Nahiko berria den espektroskopia infragorriko teknika batek, nano-FTIR delakoak, aukera ematen du proteinen egitura sekundarioaren identifikazioa bereizmen handiarekin egiteko eskala nanometrikoan.

Irudia: Proteina baten nanoespektroskopiaren ilustrazioa. Metalezko punta bat (horiz) argi infragorriarekin argitzen da. Puntaren antena-funtzioaren eraginez, argia puntaren ertzean bildu eta proteinak argitzen dituen nanofoku bihurtzen da.Copyright: CIC nanoGUNE

nano-FTIR teknika optiko bat da s-SNOM (eremu hurbileko ekorketa-mikroskopia optikoa) eta FTIR (Fourierren transformatuaren bidezko espektroskopia infragorria) teknikak uztartzen dituena. Ohikoa da tresna hori proteinen egitura sekundarioa aztertzeko erabiltzea, baina, bere horretan, ez du aukera ematen proteinen eskala nanometrikoko mapa egiteko. nano-FTIR espektroskopian punta metaliko zorrotz bat banda zabaleko laser infragorri batekin argiztatzen da, eta atzerantz barreiatutako argia bereziki diseinatutako Fourierren transformatuaren bidezko espektroskopio mbatekin aztertzen da. Bada, teknika horren bidez, 30 nm baino gutxiagoko bereizmen espazialarekin ebatzi ahal izan dute ikertzaileek proteinen espektroskopia lokal infragorria.

“Punta antena moduko bat da argi infragorriarentzat, eta puntaren puntan biltzen du argia. Goierpin horretako nanofokua argi infragorri-iturri ultratxiki gisa jo daiteke. Hain txikia da, 30x30 nm-ko azalera baino ez du argitzen, eta hori da, hain zuzen, proteina-konplexu handien eskala” dio Rainer Hillenbrand proiektuaren buruak.

nano-FTIRk proteinen eskala nanometrikoko espektroskopian duen moldaerraztasuna frogatzeko helburuz, bakarka hartutako birusen, ferritina-konplexuen, mintz purpuren eta intsulina-zuntzexken espektro infragorriak neurtu zituzten ikertzaileek. “Guztiek dituzte bariazioak egitura sekundarioan —deskribatu du Iban Amenabar-ek, nanoespektroskopiako esperimentuak egin zituenak—; birusek eta ferritinak alfa-helizeko egiturez eginak daude bereziki, eta, intsulina-zuntzexkek, berriz, beta-orrien egiturez”. Simon Poly taldeko biologoak azaldu duenez, “intsulina-zuntzexken eta birusen nahaste batean, FTIR espektroskopia estandarrak ez zuen hauteman alfa-helizeko birusak zeudela. Nano-FTIR teknika erabiliz proteinen nanoegiturak banaka aztertu genituenean, argi antzeman genien birusei, alegia, alfahelizeko egiturei, beta-orrien artean”.

Aipatzeko alderdi bat da, garrantzi praktiko handikoa, nano-FTIR espektroa oso ondo uztartzen dela ohiko FTIR espektroarekin, eta bereizmen espaziala 100 aldiz baino gehiago handitzen dela ohiko espektroskopia infragorriaren aldean. “Ferritina-partikula bakarraren espektro infragorriak neurtu ahal izango genituzke. 24 proteina besterik ez dituzten konplexuak dira. Oso masa txikia dute ferritina-konplexuek, 1 attogramokoa, eta, hala ere, argi bereizi ahal izango genuke bere alfa-helize egitura” azaldu du Amenabarrek.

Banaka hartutako intsulina-zuntzexkak ere aztertu zituzten ikertzaileek. Neuroendekapenezko gaixotasunen eredu-sistema bat dira zuntzexka horiek. Ezaguna da intsulina-zuntzexken nukleoa beta-orriko egitura duela, baina oraindik ez dago erabat argi zein den haien egitura osoa.“Banaka aztertutako zuntzexken nano-FTIR espektroari esker, beta-orri egitura ez ezik, alfa-helize egitura ere hauteman genuen; garrantzitsua izan daiteke hori zuntzexkak elkartzeko  orduan” gaineratu du Alexander Bittner-ek, nanoGUNEko Automihiztadura Taldeko buruak.

“Zirraragarriak dira nano-FTIRk eskaintzen dituen aukera berriak. Punta zorrotzagoekin eta antenen funtzioa hobetuta, espero dugu etorkizunean proteina bakarren espektro infragorria lortzea. Erabilera asko izan ditzakeela uste dugu, hala nola egitura amiloideen konformazioaldaketakmaila molekularrean aztertzea, nanoeskalako proteina-aldaketen mapa egitea ehun biomedikoetan, edo mintz-proteinen label-free mapa egitea. Nanobioespektroskopia infragorriaren alor berri batera eraman gintzake horrek” dio, bukatzeko, Rainer Hillenbrand nanoGUNEko Nanooptika Taldeko buruak.

nanoGUNEko ikertzaileek, ICFO eta Graphenearekin elkarlanean, plataforma teknologiko bat proposatu dute antena metalikoetan oinarrituta. Antena horiek aukera ematen dute grafenoan —atomo bakarreko lodiera duen materialean— argia harrapatu eta kontrolatzeko. Esperimentuek erakutsi dute grafenoak gidatutako argia, hari oso-oso lotua, zuzendu eta kurbatu daitekeela, optika konbentzionalaren oinarrizko printzipioei jarraituz. Lan honek, zeina Science zientziaaldizkari entzutetsuan argitaratu baitzuten atzo, aukera berriak ematen ditu gailu eta zirkuitu fotoniko txikiagoak eta azkarragoak egiteko.

Zirkuitu eta gailu optikoek askoz azkarrago prozesatu ahal izango lituzkete seinaleak, bai eta konputazioa egin ere. "Dena den, argia oso azkarra den arren, toki gehiegi behar du", azaldu du nanoGUNE eta UPV/EHUko Ikerbasque ikertzaile Rainer Hillenbrandek. Izan ere, argiak, hedatzeko, gutxienez bere uhin-luzerako espazioaren erdia behar du, eta espazio hori askoz handiagoa da gure ordenagailuen azken belaunaldiko oinarrizko osagai elektronikoak baino. Horrexegatik sortu zen argia konprimitzeko eta haren hedapena material jakin baten bidez nanoeskalan kontrolatzeko erronka. Eta grafenoa izan daiteke irtenbidea. Material harrigarria da: karbono-atomoen geruza bakar bat du, eta aparteko propietateak. Grafeno-geruza batek harrapatutako argiaren uhin-luzera nabarmen txikitu daiteke, 10-100 aldiz, espazio librean hedatzen den argiarekin alderatuta. Hori dela eta, grafeno-geruzan zehar hedatzen den argi horrek —grafeno-plasmoi deituak— askoz toki gutxiago behar du.

Hala ere, argia modu eraginkor batean grafeno-plasmoi bihurtzea eta gailu konpaktu batekin maneiatzea erronka garrantzitsua da. Orain, NanoGUNEko, ICFOko eta Grapheneako ikertzaile batzuek — EBko Grafene Flagship-eko kide direnak— frogatu dute irrati-uhinetarako erabiltzen den antena-kontzeptua irtenbide egokia izan daitekeela. Ikertzaileek erakutsi dute grafenoan jarritako tamaina nanometrikoko metal-barra batek (zeinak argiaren antena moduan jokatzen duen) argi infragorria har dezakeela, eta grafeno-plasmoi bihurtu, irrati-antena batek, kable metaliko batean, irrati-uhinak uhin elektromagnetiko bihurtzen dituen bezala.

"Plataforma teknologiko moldakor bat aurkeztu dugu, antena optiko erresonatzaileetan oinarritua, grafenoplasmoien hedapena abiarazteko eta kontrolatzeko. Aurkikuntza hori pauso garrantzitsua da grafeno-plasmoien zirkuituak egiteko", azaldu du ikertzaile-taldeko gidari Rainer Hillenbrandek. Pablo Alonso-Gonzálezek, nanoGUNEn esperimentuak egin zituenak, antenak eskaintzen dituen abantaila batzuk nabarmendu ditu: "Grafeno-plasmoien kitzikapena optiko hutsa da, gailua konpaktua da eta plasmoien fasea eta uhin-frontea zuzenean kontrolatu daitezke, antenen geometria egokituta. Hori oinarrizkoa da argia fokatzean eta zuzentzean oinarritutako aplikazioak garatzeko.

Ikerketa-taldeak azterketa teorikoak ere egin zituen. Honela azaldu du nanoGUNEko Ikerbasque Research Fellow Alexey Nikitinek, zeina kalkuluen egilea baita: "Teoriaren arabera, gure gailuaren eragiketa oso eraginkorra da, eta etorkizuneko aplikazio teknologiko guztiak grafenoaren kalitate- eta fabrikazio-mugen araberakoak izango dira".  

Nikitinen kalkuluetan oinarrituta, nanoGUNEko Nanogailuen Taldeak —zeina Luis Hueso eta Félix Casanova Ikerbasque ikertzaileek zuzentzen baitute— urrezko nanoantenak fabrikatu zituen, Grapheneako grafenotik abiatuta. Ondoren, Nanooptika Taldeak NEASPEC eremu hurbileko mikroskopioa erabili zuen, ikusteko nola jartzen diren martxan grafeno-plasmoiak eta nola hedatzen diren grafeno-geruzan zehar. Irudietan, ikertzaileek ikusi zuten, hain zuzen, grafenoaren gaineko uhinak antenatik urrun hedatzen direla, uretara harri bat botatzean olatuak hedatzen diren bezalaxe.

Atomo bakarreko lodierako karbono-geruzan zeharreko argi-hedapenak optika konbentzionalaren legeei jarraitzen  ote dien edo ez jakiteko, argia fokatzeko eta errefraktatzeko hainbat esperimentu diseinatu zituzten. Fokatzeesperimenturako, antena kurbatu zuten. Esperimentuetan lortutako irudiek frogatu zuten grafeno-plasmoiak antenatik distantzia jakin batera kontzentratu zirela, argi-sorta bat lente edo ispilu konkabo batekin ardazten denean bezala.

Urrezko antena ñimiño batek abiarazitako grafeno-plasmoien errefrakzioaren adierazpen grafikoa, atomo bakarreko lodiera duen prisma batetik igarotzean (nanoGUNE).

Ikertzaile-taldeak ikusi zuen, bestalde, grafeno-plasmoiak errefraktatu egiten direla (norabidez aldatzen direla) prisma-forma duen grafenogeruza bikoitz batetik pasatzen direnean, argi-sorta bat beirazko prisma batetik pasatzen denean tolesten den bezala. "Desberdintasun nagusia da grafeno-prisma bi atomoko lodierakoa bakarrik dela. Ezagutzen den prisma optiko errefraktario meheena da", adierazi du Rainer Hillenbrandek. Bitxia da, baina grafeno-plasmoiek norabidea aldatzen dute eroankortasuna handiagoa delako bi atomoko lodierako prisman hura inguratzen duen atomo bakarreko lodierako geruzan baino. Etorkizunean, grafenoaren eroankortasun-aldaketa horiek baliabide elektroniko sinpleen bidez finkatu ahal izango dira,eta horrek aukera emango du errefrakzioa modu oso eraginkorrean kontrolatzeko, besteak beste argia bideratzeko aplikazioetarako.

Laburbilduz, esperimentuek erakusten dute optika konbentzionalaren oinarrizko printzipioak, eta garrantzitsuenak, grafeno-plasmoiei ere aplikatzen zaizkiela —alegia,karbono-atomo geruza bakar batean hedatzen den argi oso-oso konprimituari—. Ondorio horietan oinarrituta, zirkuitu eta gailu optiko guztiz miniaturizatuak egin litezke etorkizunean, hautemate- eta konputazio-aplikazioetan erabiltzekoak.

Artikulu originala

P. Alonso-González1, A.Y. Nikitin1,5, F. Golmar1,2, A. Centeno3, A. Pesquera3, S. Vélez1, J. Chen1, G. Navickaite4, F. Koppens4<, A. Zurutuza3, F. Casanova 1,5, L.E. Hueso 1,5 and R. Hillenbrand 1,5. “Controlling grapheme plasmons with resonant metal antennas and spatial conductivity patterns” Science (2014), DOI: 10.1126/science.1253202

• CIC nanoGUNE, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain.
• I.N.T.I-CONICET and ECyT-UNSAM, San Martín, Bs. As., Argentina.
• Graphenea SA, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain.
• ICFO-Institut de Ciéncies Fotoniques, Mediterranean Technology Park, 08860 Casteldefells, Barcelona, Spain.
• IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48011 Bilbao, Spain.