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”.

Hautaketa-batzordeko buruak, Dressel katedradunak, eman zion saria Rainer Hillenbrandi, LEES 2014 konferentzian (Loirako harana, Frantzia), eremu hurbileko mikroskopia optikoaren alorrean eginiko aurrerapen aitzindariengatik. Alemaniako Augsburg hirian egin zituen unibertsitate-ikasketak Hillenbrandek, eta herrialde bereko Martinsried hiriko Max-Planck Biokimika Institutuan, berriz, doktore-tesia. Eremu hurbileko ekorketa-mikroskopio optiko berri bat garatu zuten Hillendrandek eta haren kideek, hura doktoretza egiten ari zela, irudi optikoak bereizmen espazial nanometrikoarekin jasotzeko. "Eremu hurbileko ekorketa-mikroskopia optikoa (s-SNOM)" deitu zuten teknologia berritzaile hura. Aurrerapen handia izan zen mikroskopio hori eremu horretarako, eta mundu osoko talde asko bultzatu zituen horretan jardutera. Alemaniako institutu hartan jarraitu zuen lanean Hillenbrandek, eta bere ikerketa-talde propioa sortu zuen. 2007an, garapen berriak medio, Neaspec enpresa sortu zuten, lehenbizikoa s- SNOM sistema komertzialak eskaintzen.

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).

_{Rainer Hillenbrand eta Martin Schnell esperimentua egin duten nanoGUNEko laborategian.}

Solidoak dira material hiperbolikoak, eta metala balira bezala jarduten dira noranzko batean; bestean, berriz, isolatzaileak balira bezala. Orain arte, honetarako erabili izan dira material horiek: uhin-luzera oso baxuan irudiak proiektatzeko eta argia eskala nanometrikoan kontrolatzeko aukera ematen duten nanoegitura konplexuak eraikitzeko. Alabaina, material mota berri horien ahal guztia erauzteko, haien barruan argiak zer portaera duen aztertu eta ulertu egin behar da.

"Material hiperboliko baten barruan argiak duen uhin-luzera izugarriki laburra, horra esperimentuen zailtasun nagusia", azaldu du Rainer Hillenbrand Ikerbasque ikertzaileak, nanoGUNEko Nanooptika taldeko buruak. "Argia material horren barruan dagoenean —kasu honetan, boro nitruroaren barruan—, polaritoia deritzo higitzen den zera horri, non materialaren berezko bibrazioei egokitzen zaien argia".

Bi ahoko ezpata baten antzera jarduten dira polaritoiak. Alde batetik, oso bolumen txikietara konprimatzen dute argia. Argia eremu oso txikietan manipulatu behar den aplikazio ugaritarako balio du horrek; besteak beste, banakako molekulak detektatu eta identifikatzeko. Bestetik, teknika bereziak behar dira argiaren jarduera behatzeko bolumen hain txikian.

_{Eremu hurbileko mikroskopio batek jasotako polaritoiaren irudia.}

Espazioa eta denbora

Hona zer dioen Martin Schnellekin batera nanoGUNEn esperimentuak egin zituen Edward Yoxallek: "Polaritoi baten uhin-luzera hain txikia izaki, ezin dira erabili optika-ekipo 'konbentzionalak' (lenteak, kamerak, etab.) irudiak jasotzeko. Infragorrizko mikroskopio estandar batek baino xehetasun 1.000 aldiz txikiagoak ikusteko ahalmena duen mikroskopio berezi bat erabili behar da". Hamar nanometro besterik ez duten "objektuak" ikusten ditu mikroskopio horrek.

"Baina ez da espazio-bereizmena polaritoien jarraipena eginkizun konplikatu bihurtzen duen zera bakarra", dio Yoxallek. "Polaritoi bat nola higitzen den ikusi nahi bada, espazioan eta denboran aztertu behar da. Honela egin daiteke hori: argi-distira edo -pultsu oso laburrak igorriz, 100 femtosegundo besterik irauten ez dutenak, alegia (segundo baten milioiren baten milioiren bat baino laburragoak)". Distira horiek eta eremu hurbileko mikroskopio bat erabiliz, boro nitruroan barrena hainbat lekutatik igaroz ikus ditzakete polaritoiak ikertzaileek, eta haien abiadura neurtu.

Esperimentu horretan espazioari eta denborari buruz jasotako informazioaz baliatuta, polaritoiaren ibilbidea zehazki ikusi zuten zientzialariek, bai eta jokabide bitxi batzuk atzeman ere. "Material horretan, motelago higitzen da argia eta, gainera, "korrontearen kontra" higi daiteke, hau da, bere energia-fluxuaren kontrako noranzkoan mugi daitezke polaritoiaren uhinak", azaldu du Hillenbrandek.

"Zalantzarik gabe, polaritoia mugitzen den abiadura da emaitzarik interesgarrienetako bat", dio Yoxallek. "Argi geldoa ikertzeko interes handia dago, eta hori egiteko modu berri bat erakutsi dugu guk lan horren bidez". Egitura fotoniko konbentzionaletan, aplikazio-potentzial handia du argi geldoak detekzio- eta komunikazio-teknologietarako, argia-materia interakzioaren hobekuntza dela eta. Gailuak miniaturizatzeko lagungarri izan daiteke material hiperboliko horietan argiak iristen duen konpresio-maila izugarria.

_{Boro nitruroko geruza oso finetan nanoargi motelaren irudia (goran) eta simulazioa (behean).}

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.