Control of optical fields and single photon emitters by advanced nanoantenna structures

Resum

Un tema central en la ciencia y la tecnología es la exploración y explotación de sistemas cada vez más pequeños por medio de técnicas ópticas. A menudo, la longitud de onda viene dictada por el sistema de interés: los sistemas biológicos emiten y absorben luz visible y los dispositivos fotovoltaicos convierten el espectro solar. Durante mucho tiempo, la resolución óptica alcanzable parecía limitada principalmente por el límite de la difracción. Sin embargo, los avances en nanociencia y nanotecnología han llevado a la fabricación de estructuras de tamaños cada vez menores, de modo que la escala de los detalles fabricables ha alcanzado dimensiones muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible. La luz visible interactúa resonantemente con estructuras metálicas de dimensiones alrededor de 100nm. La fuerte interacción de la luz con estructuras resonantes ofrece multitud de nuevas herramientas para el estudio de nuevos fenómenos ópticos en ciencia y tecnología, para lo cual se precisa un estrecho control de los campos ópticos. Las nanostructuras plasmónicas confinan, aumentan y, por lo tanto, controlan la luz a escalas nanométricas. Esta tesis se centra en el desafío del control preciso de campos ópticos en la nanoescala. Capítulo 1 presenta una perspectiva de la óptica de campo cercano. La nanotecnología se basa principalmente en la nanofabricación, que es un campo en continuo desarrollo. Los tamaños por debajo de 100nm requeridos para obtener nanoestructuras con resonancias ópticas entran dentro de los rangos de resolución de las actuales herramientas de nanofabricación. La nanofabricación con tecnología de Haz de Iones Enfocados es tratada en el Capítulo 2. Las antenas ópticas han demostrado ser un enlace eficiente entre radiación libre y objetos. El objeto puede ser una molécula individual, un medio no lineal o un semiconductor, dependiendo del propósito del dispositivo. Debido a la complejidad creciente de las antenas ópticas, surge la necesidad de investigar y controlar con precisión la distribución local de los campos modales. En el Capítulo 3, presento una investigación de los campos locales de antenas por medio del control determinista de una esfera fluorescente nanométrica como sonda del campo local. La esfera registra fielmente los modos ópticos de la antena, resolviendo por primera vez características modales de 35nm, revelando además la resonancia de la antena. Un punto crítico en la interacción de luz y materia es el ajuste de impedancias de los componentes involucrados. El Capítulo 4 demuestra cómo estructuras intrínsicamente muy diferentes, una guía de onda en forma de cuña y una apertura menor que la longitud de onda, se ajustan en impedancia a la longitud de onda de funcionamiento para mejorar la transmisión. La microscopía óptica de barrido de campo cercano es una herramienta habitual para la imagen de una gran variedad de muestras con resolución nanométrica. La baja transmisividad de las sondas convencionales, con aperturas menores que la longitud de onda, impone un severo límite. Como se explica en el Capítulo 5, el rediseño de la sonda elimina componentes con pérdidas y mejora la alimentación a la apertura. El rendimiento de la transmisión aumenta 100 veces y el umbral de daño 40 veces. Como este incremento en brillo permite utilizar aperturas más pequeñas, se obtienen imágenes de moléculas individuales con una resolución óptica de hasta 60 nm sin necesidad de algoritmos de ajuste. Como demuestran los resultados de esta tesis, se pueden evaluar los campos localizados y el funcionamiento de nanoestructuras como las antenas ópticas mediante mapeado con nanofuentes fluorescentes. Este mapeado proporciona una herramienta flexible para sintonizar nanoestructuras e incrementar el nivel de control ejercido sobre los campos ópticos. Esto beneficiará a aplicaciones como la imagen de alta resolución, los sensores y fotodetectores de alta sensibilidad, los dispositivos fotovoltaicos o la óptica no lineal.