Nano Optica

Nano ÓpticaQué y para qué.

Joaquín Sevilla Departamento de Ingeniería

Eléctrica y Electrónica

http://www.optics.rochester.edu/workgroups/novotny/papers/physicstoday.pdf

“El estudio de la nano- óptica se centra en la comprensión de las interacciones luz- materia en escalas de longitud comparables o menores al límite de difracción clásico”

Índice

• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Índice

• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Luz

Ondas electromagnéticas.

Periodicidad en el tiempo (frecuencia, ν) y en el espacio (longitud de onda, λ)

c=λν

El tamaño de la luzEntre 400 y 700 nm

La luz es demasiado grande para la nanotecnología

¿acabamos la charla aquí?

O admitimos los centenares de nanómetros como animal de compañía…

Aunque aquí nos importe menos, el tiempo que tarda en oscilar esa onda (el período) es del orden de 10-15 s .

O visto en frecuencias: 400 THz

Índice

• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Fundamentos de la óptica (no- nano)

La ley de Snell:

Los materiales tienen una característica propia que llamamos índice de refracción (n). Con ese parámetro responde a la propagación de la luz:

-La velocidad en el medio es c/n

-Cuando cambiamos de medio una parte se refleja y otra se refracta

Willebrord Snellius (Snell) (1581-1626)http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/OptGeometrica/historia/Historia.htm

Snell. Ángulo límite

Snell. Reflexión total internaLa calidad de los brillantes Colector solar luminiscente

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5886/226

Reflexión total interna y fibra óptica

http://www.uhu.es/ondas/proguia/propondas1/propondas1.html

Fibra óptica. Tamaños

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• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Guías de onda integradas

El mismo efecto de confinamiento por salto de índice de refracción se consigue en semiconductores. Esto permite realizar operaciones complejas con la luz, fundamentales para su aplicación en telecomunicaciones

http://www.iuma.ulpgc.es/users/jrsendra/Docencia/Com_Opt_I/download/Com_Opt_I/Temario/amplificacion_optica.pdf

Modulador integrado

http://domino.research.ibm.com/comm/research_projects.nsf/pages/photonics.modulator.html

Interruptor

Figure 1. Simple schematic of an electro-optical switch: a) a closed switch when cantilever is not polarized; b) an open switch when cantilever is polarized.

Figure 2. a) Aligned and misaligned optical switches. b) An

aligned switch allows light to propagate across the air gap.

http://spie.org/x14986.xml?ArticleID=x14986

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• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Fundamentos de la óptica no-nano

Destructive interference of reflected waves (in the reflected waves,

maximum and minimum of the wave amplitude are superimposed).

Constructive Interference of reflected waves (reflected waves in phase, i.e., maxima are superimposed)

nλ = 2dsinΘ

Ley de Bragg.

Interferencias constructiva y destructiva

William Lawrence Bragg

(1890-1971), Australian born British physicist, won the Nobel prize with his father William Henry Bragg for his "famous equation" when he was only 25 years old.

http://photonics.usask.ca/photos/

Recubrimientos anti- reflectantes

http://buphy.bu.edu/py106/notes/Thinfilm.html

λ /4

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• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

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• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

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• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Campo cercano y campo lejano

http://www.nearfield.com/theory.htm

http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/pubs/radiation/99ehd-dhm237/appendix-iii-annexe-eng.php

Campo cercano y campo lejano

http://www.microwaves101.com/encyclopedia/absorbingradar1.cfm

Microscopio de campo cercano

http://uuu.t.u-tokyo.ac.jp/eng/lab/research_so_far.html

The resolution in conventional far-field optical microscopy is inherently diffraction-limited to about the size of the wavelength of light. Near-field microscopy overcomes this limitation by localizing light in the vicinity of nanometer-sized objects and by using these nano-spots to generate optical images with unprecedented resolution.

http://www.mbi-berlin.de/de/research/projects/3-02/highlights/lt-snom/lt-snom-over.html

Microscopía de campo cercanoSNOM

http://www.complexphotonics.org/snom.html

Variantes de emisión- recepción

Topo NSOM

Aluminum coated latex spheres, with the latex dissolved away. Areas between pre-existing spheres are now represented with a nano-island of metal.Optical resolution can be measured on the small points of metal protruding between the previous spaces between spheres.

http://electron.mit.edu/~gsteele/mirrors/elchem.kaist.ac.kr/jhkwak/TopometrixWeb/LUMSTD.htm

Luz en campo cercano para manejar átomos

Figure 1. Near-Field Light would be generated from incident far-field light. The light would be blue-detuned to exert a dipole force on atoms in a beam to focus the beam to a spot having a width of the order of several nanometers.

http://www.defensetechbriefs.com/component/content/article/4886

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• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Bandas de energía de los electrones

Niveles electrónicos y bandas de energía

Bandas electrónicas y fotónicas

http://luxrerum.icmm.csic.es/?q=node/research/PCintro

Cristales fotónicos 1D, 2D y 3D

Cristales fotónicos en la naturaleza

The male of the beetle Hoplia coerulea is conspicuously blue owing to its shell, which is a photonic crystal.Reported by: Vigneron et al. in Physical Review A, December 2005

http://www.aip.org/png/2005/243.htm

The spatial patterning of a material at the wavelength scale of the light can generate diffraction effects: there is no pigment in a butterfly wing which is blue due to this mechanism

http://www.lpn.cnrs.fr/en/GOSS/CPOI.php

Escarabajos y mariposas.

Especialmente el color azul.

Cristales fotónicos y tecnología

http://www.math.utwente.nl/aamp/ex_mathopt.html

http://technixbycbs.com/users/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.browse&category_id=6&Itemid=36

Materiales diseñados a medida.

Prohibición total de la circulación de luz a determinadas frecuencias.

Codos y divisiones en una longitud de onda

Multiplexores “add- dropp”

Aumento de eficiencia de diodos

Estabilización de láseres de cavidad vertical

Aumento de eficiencia de células solares

…………………

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• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Plasmones

Cuando una vibración concreta de un sistema es estable, se mantiene igual en el tiempo (y/o el espacio) se habla de un modo de vibración.

Cuando además esa vibración está cuantizada (solo puede tomar determinados valores discretos) es “habitual” asimilar cada cuanto de un modo de vibración a una partícula (y darle un nombre acabado en on)

Fotón: cuanto de vibración que es el campo electromagnético.

Fonón: cuanto de vibración de la red que forman los núcleos en un sólido.

Plasmón: cuanto de vibración de las oscilaciones de un plasma (un gas de electrones)

Plasmones

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mie_plasmon.svghttp://www.chemistry-blog.com/2007/03/19/plasmonics-part-ii/

Description of the Mie plasmon model, displaying Mie scattering. A molecule is globally neutrally charged ; it then absorbs a photon (γ), thus disturbing its neutrality ; electrons (red) and nucleus (blue) fields consequently attract each other ; this accelerated motion scatters a photon, according to Larmor

Plasmón de superficie, ”olas de electrones”

Transmisión extraordinaria

Sensores por resonancia de plasmones

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• La luz, tamaños y tiempos propios• La óptica tradicional (Snell y Bragg)

– Fibra óptica– Óptica integrada (guías de onda)– Superficies antirreflectantes (λ /4)

• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

En que trabajamos aquí y ahora

• Estudio (fundamental) de cristales fotónicos 3D y casi 2D– Aplicación de resultados en diseño de materiales de

interés en edificación (Euroinnova NanoCONS)

• SANBIONS (autoensamblado de macromoléculas sobre superficies nanoestructuradas)

En que trabajamos aquí y ahora

• Estudio (fundamental) de cristales fotónicos 3D y casi 2D– Aplicación de resultados en diseño de materiales de

interés en edificación (Euroinnova NanoCONS)

• SANBIONS (autoensamblado de macromoléculas sobre superficies nanoestructuradas)

Ejemplo

Cristales fotónicos 3D y casi 2D (fundamentos)

CBA

A

h

Ese pico cuadra con el reflector Bragg formado por los planos de bolas

λ = 2 n h

?

Planos de esferas (casi 2D)

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• Fenómenos en el tamaño de λ y menores– Campo cercano (SNOM)– Cristales fotónicos– Plasmones

• Aplicaciones

Disclaimer / Descargo

En esta presentación se han tomado muchas imágenes de la red. En la mayoría de los casos se indica expresamente de donde.

Si alguno el autor de alguna de esas figura considera que su inclusión en esta presentación supone un uso ilegítimo, que no dude en comunicármelo y será inmediatamente retirada:

Joaquin.sevilla@gmail.com

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If authors of any of these figures feel that this presentation makes an inappropriate use of them, do not hesitate in contacting me, and I will retire it immediately:

Joaquin.sevilla@gmail.com

Nano ÓpticaQué y para qué.

Joaquín Sevilla Departamento de Ingeniería

Eléctrica y Electrónica

http://www.optics.rochester.edu/workgroups/novotny/papers/physicstoday.pdf

“El estudio de la nano- óptica se centra en la comprensión de las interacciones luz- materia en escalas de longitud comparables o menores al límite de difracción clásico”