Las investigación con nanoluz (cien veces más pequeña que el grosor de un cabello humano) se ha desarrollado considerablemente en los últimos años gracias a la utilización de nanomateriales estructurados en láminas como el grafeno, el nitruro de boro o el trióxido de molibdeno: los llamados materiales van der Waals.

Uno de los principales inconvenientes de las aplicaciones tecnológicas de esta nanoluz es la limitación de las gamas de frecuencias características de cada material. Pero ahora, un equipo internacional ha propuesto un novedoso método que permite ampliar significativamente esta gama de frecuencias de trabajo de los polaritones en los materiales de van der Waals. El método consiste en la intercalación de átomos alcalinos y alcalinotérreos, como el sodio, el calcio o el litio, en la estructura laminar del material de pentaóxido de van der Waals, lo que permite modificar sus enlaces atómicos y, por consiguiente, sus propiedades ópticas.

Teniendo en cuenta que una gran variedad de iones y contenedores de iones pueden intercalarse en materiales laminados, cabe esperar una respuesta espectral a la demanda de polaritones de fonones en los materiales de van der Waals, que con el tiempo cubrirá todo el rango del infrarrojo medio, algo crítico para el campo emergente de la fotónica de polaritones de fonones.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Materials, permitirá avanzar en el desarrollo de tecnologías fotónicas compactas, como los sensores biológicos de alta sensibilidad o las tecnologías de la información y las comunicaciones a nanoescala.

Edoardo Vicentini, investigador en nanoGUNE, ha sido reconocido como ganador del premio Bernard J. Couillaud por su investigación en Tomografía de difracción óptica con peines de frecuencias de femtosegundos. 

s-SNOM y nano-FTIR son herramientas únicas de imagen óptica y espectroscopia que permiten tanto la obtención de imágenes a nanoescala como la realización de espectroscopia en un amplio rango espectral, entre las frecuencias visibles y los terahercios. Rainer Hillenbrand fue uno de los investigadores que participaron en el desarrollo de estas técnicas y en su comercialización, lo cual abrió un campo completamente nuevo de investigación experimental de los fenómenos ópticos y las propiedades de los materiales a nanoescala.

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.

CIC nanoGUNE ha lanzado la convocatoria del Programa de Prácticas de Verano que organiza anualmente; ofrece a estudiantes de la universidad la oportunidad de conocer de primera mano la actividad de un centro de investigación de referencia a nivel mundial.

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 excitations of matter and photons. In recent years, polaritons in van der Waals nanomaterials—known as van der Waals polaritons—have shown great promise to guide the flow of light at the nanoscale over spectral regions ranging from the visible to the terahertz. A vibrant research field based on manipulating strong light–matter interactions in the form of polaritons, supported by these atomically thin van der Waals nanomaterials, is emerging for advanced nanophotonic and opto-electronic applications.

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.

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.

La luz desempeña un papel esencial en la ciencia y la tecnología modernas, con aplicaciones que van desde la comunicación óptica rápida hasta el diagnóstico médico y la cirugía láser. En muchas de estas aplicaciones, la interacción de la luz con la materia tiene una importancia fundamental.

Las nanopartículas debido a su tamaño presentan propiedades físicas muy diferentes a los materiales macroscópicos, aunque tengan la misma composición química. Por ello, el uso de las nanopartículas para administrar fármacos ha supuesto una revolución tanto en el campo de la nanotecnología como en el campo de la medicina.

“A la hora de administrar un fármaco, es esencial administrar el fármaco de manera efectiva en los lugares deseados para que su rendimiento sea eficaz. Las nanopartículas son capaces de albergar los fármacos y transportarlas al lugar deseado de manera efectiva. En este sentido, es deseable cargar las nanopartículas con la máxima cantidad posible de fármaco, siempre que la partícula se mantenga estable”, explica Iban Amenabar, investigador del grupo Nanoóptica de nanoGUNE. “Para ello, evidentemente, se necesitan técnicas de medición que permitan medir la cantidad real de fármaco presente en las nanopartículas. Sin embargo, esto no es una tarea fácil —continúa el investigador—. Las técnicas de medición convencionales (por ejemplo, la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier, FTIR) ofrecen una resolución espacial y sensibilidad limitada y solo permiten medir la cantidad de fármaco en muestras que contienen miles de nanopartículas. Desafortunadamente, esta cantidad de fármaco no es representativa, ya que este fármaco puede no estar albergada o cargada en las nanopartículas y en consecuencia no ser transportada y administrada efectivamente.”. Así pues, “para conocer la carga real y efectiva de las nanopartículas, es necesario medir la cantidad de fármaco en nanopartículas individuales. Para ello, hemos utilizado la técnica de nano-spectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (nano-FTIR) desarrollada en nanoGUNE. Esta técnica novedosa, permite tanto medir imágenes ópticas como espectros de absorción todo con resolución y sensibilidad nanométrica. En particular, esta colaboración ha permitido por primera vez medir e identificar fármacos en nanopartículas individuales”, añade.

La técnica de nano-FTIR combina la capacidad analítica, es decir, la información química de la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y la resolución espacial a nanoescala de la microscopía de fuerza atómica (AFM).

“En este trabajo de colaboración demostramos precisamente el potencial de la novedosa técnica de espectroscopía para analizar las nanopartículas. Gracias a ella, fuimos capaces de medir e identificar fármacos en nanopartículas individuales de las formulaciones desarrolladas por Kusudama Therapeutics S.L para el tratamiento de diversas afecciones pulmonares”, explica Iban Amenabar.

Es importante señalar que esta colaboración ha abierto nuevas vías para nuevos desarrollos hacia un mayor control de las nanopartículas y con una gran variedad de fármacos.

La ayuda de Fomento de San Sebastián en este proyecto se materializa a través del programa de Bonos Tecnológicos creados para promover y desarrollar, en colaboración con CIC nanoGUNE y otras entidades, proyectos con componente tecnológico de empresas y personas emprendedoras locales, a través de la transferencia tecnológica y del conocimiento desarrollado en los centros de investigación de San Sebastián.

Donostia-San Sebastian. 16 de Julio de 2014. El Premio Ludwig-Genzel 2014 ha sido otorgado al investigador Ikerbasque de nanoGUNE y la UPV/EHU Rainer Hillenbrand por “el diseño y desarrollo de la espectroscopia infrarroja de campo cercano y la aplicación de este nuevo método espectroscópico en diferentes áreas de las ciencias naturales”.

Rainer Hillenbrand recibió el premio de manos del catedrático Dressel, presidente del comité de selección, durante la conferencia LEES 2014, celebrada en el Valle del Loira (Francia), por sus desarrollos pioneros y líderes en el campo de la microscopía óptica de campo cercano. Hillenbrand realizó sus estudios en la Universidad de Augsburgo (Alemania) y desarrolló su tesis doctoral en el Instituto Max-Planck de Bioquímica de la también ciudad alemana de Martinsried. Durante su doctorado, Hillenbrand y sus compañeros desarrollaron un nuevo microscopio óptico de barrido de campo cercano para obtener imágenes ópticas con una resolución espacial nanométrica, una tecnología novedosa a la que denominaron “microscopía óptica de barrido de campo cercano (s-SNOM)”. El microscopio fue un gran avance en este campo y animó a numerosos grupos de todo el mundo a trabajar en esta dirección. Hillenbrand continuó trabajando en el mismo instituto alemán y formó su propio grupo de investigación. En 2007, gracias a nuevos desarrollos, fundaron la empresa Neaspec, la primera en ofrecer sistemas de s-SNOM comerciales.

En 2008, Hillenbrand se incorporó a nanoGUNE como responsable del grupo de Nanoóptica y profesor investigador Ikerbasque. Desde entonces, ha aplicado su técnica para realizar investigación de vanguardia en diferentes campos, tales como la física fundamental de estado sólido, la ciencia de materiales, las ciencias de la vida y la nanofotónica. Entre los avances más reciente está la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier a escala nanométrica (nano-FTIR), en la que la resolución espacial se ve incrementada por 100, comparada con la de la espectroscopia infrarroja convencional. Actualmente, Hillenbrand aplica las técnicas para la identificación química de los nanomateriales, el estudio de proteínas y el desarrollo de la nanofotónica basada en el grafeno.

Según el jurado del premio, la revolucionaria técnica de imagen de superficie permite realizar mediciones espectrales que van desde el régimen de lo visible al régimen de microondas con una resolución espacial sin precedentes. El trabajo de Hillenbrand “revela una combinación única de las habilidades de ingeniería y una visión profunda de los problemas científicos relacionados con diversos temas, abordando tanto cuestiones fundamentales como aplicaciones que, posteriormente, tienen su desarrollo en la industria”.

Premio Ludwig-Genzel

El Premio Ludwig-Genzel se otorga a un científico joven que haya realizado contribuciones excepcionales al campo de la espectroscopia de la materia condensada. La principal contribución de la obra de Ludwig Genzel es en el campo del rango espectral del infrarrojo lejano. El premio incluye un diploma y un premio de 4.000 euros. Bruker Óptica (Ettlingen) es el patrocinador del premio, que se concede cada dos años, durante la International Conference on Low Energy Electrodynamics in Solids (LEES). En esta ocasión, los miembros del comité de selección han sido los siguientes: Martin Dressel, presidente (Universidad de Stuttgart, Alemania); Leonardo Degiorgi (EHT Zürich, Suiza), Jan Petzelt (Academia de Ciencias, Praga, República Checa), Karl Renk (Universidad de Regensburg, Alemania) y Hartmut Roskos (Universidad de Frankfurt, Alemania).

A través de este programa, el centro vasco de investicación en nanociencia acogerá este verano en torno a diez nuevos estudiantes de 3º y 4º curso de Física, Química, Biología e Ingeniería. Durante un periodo de mes y medio o dos meses, los jóvenes colaborarán con investigadores de nanoGUNE en sus proyectos de investigación, en temas como los fenómenos de electrón/espín y magnetismo, óptica en la nanoescala, materiales en la nanoescala y nanobioingeniería, entre otros.

Los estudiantes interesados deben presentar su solicitud online para participar en el programa de prácticas de verano en la página web de nanoGUNE, y la fecha límite para hacerlo es el 16 de febrero. Toda la información relativa a la convocatoria está disponible en la página web de nanoGUNE (www.nanogune.eu)

El martes, 19 de junio, recibimos a 11 estudiantes que van a realizar las prácticas en nanoGUNE este verano. El director del centro, Jose M. Pitarke les dio la bienvenida con una breve charla sobre el recorrido de nanoGUNE, a la que también acudieron las investigadoras e investigadores que dirigirán sus proyectos.

Los 11 estudiantes vienen de diferentes universidades, entre las que están la Universidad Pública del País Vasco (UPV/EHU), Tecnun, la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). El programa de prácticas de verano de NanoGUNE les ofrece una experiencia real para que puedan conocer en qué consiste el trabajo de investigación y poder así decidir mejor sobre su futuro profesional.

El grupo de estudiantes colaborará y aprenderá en los diferentes grupos de investigación de nanoGUNE, como por ejemplo el de nanoóptica, nanodispositivos o nanomagnetismo. Durante dos meses, llevarán a cabo un proyecto siguiendo las técnicas y anotaciones de los investigadores de sus grupos.

Algunos de ellos comenzaron las prácticas a principios de mes y cuentan que, desde el principio, han estado muy involucrados en el trabajo de grupo. “La verdad es que hemos empezado muy de golpe, el primer día me llevaron ya al laboratorio”, comenta Amaia Ochandorena, estudiante de Bioquímica y Biología Molecular de la UPV/EHU.

Todos los estudiantes conocían CIC nanoGUNE de antemano y destacaron que, “es un centro de investigación importante” que “ofrece o trabaja con temas de mucho interés”.

Tanto a estos como a estudiantes de grado en general, nanoGUNE les ofrece la posibilidad de entrar en contacto con el centro para la realización de Trabajos Fin de Grado (TFG) o Trabajo Fin de Máster (TFM), para los que además publica una convocatoria de ayudas todos los años.

Las ondas ópticas que se propagan desde una fuente puntual normalmente exhiben frentes de onda circulares. “Como las ondas en una superficie de agua cuando se arroja una piedra”, explica Peining Li, investigador postdoctoral en nanoGUNE y primer autor del artículo. La razón de esta propagación circular es que el medio a través del cual viaja la luz es típicamente homogéneo e isótropo, es decir, uniforme en todas las direcciones.

Los científicos ya habían predicho teóricamente que determinadas superficies estructuradas pueden poner la luz “patas arriba” cuando se propaga a lo largo de ellas. “En estas superficies, conocidas como 'metasuperficies hiperbólicas', las ondas emitidas por una fuente puntual viajan sólo en determinadas direcciones y además, con frentes de onda abiertos (cóncavos)”, explica Javier Alfaro, estudiante de doctorado en nanoGUNE y coautor del artículo. Debido a su propagación direccional y a que su longitud de onda es mucho más pequeña que la de la luz en el espacio libre o en fibras ópticas, estas ondas podrían ayudar a miniaturizar los dispositivos ópticos para la detección y el procesamiento de señales.

Ahora, los investigadores han desarrollado una metasuperficie para la luz infrarroja. Esta metasuperficie está hecha de nitruro de boro, un material bidimensional similar al grafeno, que posee una extraordinaria capacidad para manipular la luz infrarroja a escalas extremadamente pequeñas. Esta propiedad puede ser empleada para el desarrollo de sensores químicos miniaturizados o para el control de la transmisión de calor en nanodispositivos. Por otro lado, han logrado observar por primera vez frentes de onda cóncavos en el infrarrojo gracias a un microscopio óptico muy especial.

La fabricación de metasuperficies hiperbólicas es compleja ya que requiere de una estructuración extremadamente precisa de dimensiones nanométricas. Irene Dolado, estudiante de doctorado en nanoGUNE, y Saül Velez, ex investigador postdoctoral en nanoGUNE (ahora en ETH Zürich), han superado este reto utilizando técnicas avanzadas como la litografía por haz de electrones y el grabado en pequeñas láminas de nitruro de boro de alta calidad proporcionado por la Universidad Estatal de Kansas. “Después de varias optimizaciones, hemos logrado la precisión requerida y hemos obtenido una rejilla con un espaciado tan pequeño como 25 nm“, apunta Irene Dolado. “Los mismos métodos de fabricación también se pueden aplicar a otros materiales y podrían utilizarse para realizar metasuperficies artificiales con propiedades ópticas a medida”, añade Saül Vélez.

De la teoría a la realidad 

Para observar cómo se propagan las ondas en la metasuperficie, los investigadores han usado una técnica de nanoimagen infrarroja de vanguardia que ha sido desarrollada por el propio grupo de Nanoóptica de nanoGUNE. Primero colocaron una nanoantena de oro sobre la metasuperficie. “De este modo, la nanoantena genera ondas de la misma manera que lo hace una piedra cuando la tiramos al agua”, comenta Peining Li. La nanoantena concentra la luz infrarroja incidente en un pequeño foco que lanza las ondas que se propagan sobre la metasuperficie. Los investigadores tomaron las imágenes de las ondas utilizando un microscopio óptico de barrido de campo cercano (s-SNOM). “Fue increíble ver las imágenes. Mostraban la curvatura cóncava de los frentes de onda que se propagaban desde la nanoantena de oro, exactamente tal y como predice la teoría”, dice Rainer Hillenbrand, investigador Ikerbasque en nanoGUNE, quien ha dirigido la investigación.

Estos prometedores resultados abren la puerta a la utilización de otros exóticos materiales bidimensionales como plataforma para realizar nanocircuitos y metasuperficies hiperbólicas. Además, demuestran que la microscopía de campo cercano puede emplearse para revelar fenómenos ópticos en materiales anisótropos y en metasuperficies.

La investigación ha sido financiada principalmente por subvenciones individuales de las acciones Marie Sklodowsca-Curie de la Unión Europea y los programas de becas de investigación predoctoral del Gobierno Vasco y el Gobierno Español, así como de la Nacional Science Foundation americana, y se ha llevado a cabo en consonancia con los proyectos de nanoGUNE dentro de la iniciativa europea Graphene Flagship.

La radiación en el rango de frecuencias de los terahercios (THz) atrae un gran interés científico debido a su enorme potencial en las comunicaciones inalámbricas de próxima generación o en la obtención de imágenes no destructivas. Sin embargo, la generación, detección y control de la radiación de terahercios se enfrenta a numerosos desafíos tecnológicos. En particular, debido a las longitudes de onda relativamente largas (de 30 a 300 mm) de esta radiación, se requieren soluciones alternativas que permitan la integración de los dispositivos a la nanoescala.

En los últimos años, los plasmones de grafeno se han convertido en una plataforma muy prometedora para comprimir la radiación de terahercios. Se basa en la interacción de la luz con las oscilaciones colectivas de los electrones en el grafeno, dando lugar a las ondas electromagnéticas conocidas como plasmones. Los plasmones de grafeno se propagan con una longitud de onda extremadamente reducida y son capaces de concentrar campos eléctricos en dimensiones por debajo de la longitud de onda, al mismo tiempo que sus propiedades pueden ser controladas eléctricamente.

Ahora, investigadores del CIC nanoGUNE (San Sebastián, España), en colaboración con ICFO (Barcelona, España), IIT (Genova, Italia), Columbia University (Nueva York, Estados Unidos), Radboud University (Nijmegen, Paises Bajos), NIM (Tsukuba, Japón) y la empresa Neaspec (Martinsried, Alemania) han visualizado por primera vez plasmones a frecuencias de terahercios fuertemente comprimidos y confinados en un fotodetector basado en el grafeno. Para observar los plasmones, los investigadores registraron un mapa a la nanoescala de la fotocorriente en el detector mediante la exploración de la superficie con una punta metálica puntiaguda. La punta hizo la función de enfocar la iluminación incidente de THz a un tamaño de aproximadamente sólo 50 nm, que es aproximadamente 2000 veces menor que su longitud de onda. Esta nueva técnica de imagen, llamada nanoscopía de fotocorriente en terahercios, abre un nuevo horizonte para la caracterización de las propiedades optoelectrónicas de dispositivos trabajando en el rango espectral de los terahercios..

El equipo registró imágenes de la fotocorriente del detector de grafeno, mientras que este era iluminado con radiación de THz de alrededor de 100 m de longitud de onda. Las imágenes de fotocorriente mostraban oscilaciones que revelaban la propagación de plasmones de terahercios con una longitud de onda 50 veces más corta.

“"Al principio estábamos muy sorprendidos por lo extremadamente corta que era la longitud de onda del plasmón, ya que los plasmones de grafeno a frecuencias de terahercios están normalmente mucho menos comprimidos", dice el antiguo investigador del CIC nanoGUNE Pablo Alonso González, ahora en la Universidad de Oviedo, y primer autor del trabajo. "Logramos resolver el rompecabezas mediante estudios teóricos, que demostraron que los plasmones se acoplan al metal que se encuentra por debajo del grafeno", continúa. "Este acoplamiento conduce a una compresión adicional de los plasmones y a un confinamiento extremo del campo, que podría abrir una nueva vía hacia detectores más sensibles y compactos", añade Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Research Professor y líder del Grupo de Nanoóptica del CIC nanoGUNE quien dirigió la investigación. Los plasmones también muestran una dispersión lineal - lo que significa que su energía es proporcional a su momento - lo que podría ser beneficioso para las tecnologías de la información y la comunicación. El equipo también analizó el tiempo de vida de los plasmones a frecuencias de terahercios, lo que demostró que la pérdida de energía de los plasmones de THz está determinado por las impurezas en el grafeno.

La nanoscopía de fotocorriente en terahercios se basa en el fuerte efecto fototermoeléctrico en el grafeno, que transforma el calor generado por los campos de THz, incluido el de los plasmones, en una corriente. En el futuro, este potente efecto termoeléctrico podría también aplicarse para la detección de plasmones en circuitos integrados basados en el grafeno. La técnica de nanoscopía de fotocorriente en terahercios podría encontrar otras potenciales aplicaciones más allá de la obtención de imágenes de plasmones, como por ejemplo, para estudiar en la nanoescala las propiedades optoelectrónicas de nuevos materiales 2D, de los gases de electrones 2D clásicos o de nanoestructuras semiconductoras.

El proyecto CENTINELA tiene por objetivo desarrollar un sistema de detección remota que sirva como base para la detección y alerta temprana de sustancias causantes de malos olores en el entorno de la refinería. El proyecto ha sido diseñado específicamente para dar respuesta a las necesidades básicas planteadas por Petronor.

Los sistemas de detección serán desarrollados en las instalaciones del CFM/MPC y nanoGUNE, y serán posteriormente transferidos a la Universidad de Burgos, donde sus laboratorios están equipados para el trabajo con muestras de sustancias químicas en condiciones de seguridad. En la fase final, el equipo será transferido a las instalaciones de Petronor para efectuar pruebas de campo.

Funciones de cada miembro principal

El participante y los colaboradores desarrollarán las siguientes funciones:

• CFM/MPC (Unidad de Gestión de Proyectos e Innovación): Asume las labores de gestión y coordinación del proyecto. Participará en las labores de definición de las especificaciones, diseño de software y sistemas de medida, desarrollo de los sistemas de medida y pre-industrialización.
• CIC nanoGUNE (Grupo de Nanoóptica): Participará en el desarrollo del sistema de medida (espectrómetro de transformada de Fourier, diseño óptico, tratamiento de señal) y su caracterización.
• Universidad de Burgos (Grupo de Análisis Instrumental): Recopilación de datos espectroscópicos referentes a las sustancias causantes de malos olores, caracterización del instrumento de medida, desarrollo del software de análisis multivariante, para detección automática y alerta temprana.
• Petronor: Supervisión general progreso. Definición de requisitos. Cartografía tipos de sustancias y zonas potenciales de emisión.

La constante búsqueda de tecnologías compactas ha planteado una nueva era de la nanociencia. Los teléfonos móviles inteligentes, los ordenadores más rápidos, las herramientas médicas más sensibles y fiables, entre otros, requieren cada vez un mayor número de elementos electrónicos sofisticados en sus chips incorporados. Los bloques ópticos, debido a que su operación es mucho más rápida, se ven ahora como una alternativa a los diodos semiconductores y transistores. Sin embargo, aunque la luz es muy rápida, todavía no se ajusta muy bien a los pequeños volúmenes alcanzables a través de la nanoingeniería. De hecho, uno de los fundamentos físicos impone una gran limitación de la propagación de la luz: no se puede comprimir en un espacio más pequeño que la mitad de su longitud de onda, que es mucho más grande que los bloques de construcción electrónicos en nuestros dispositivos electrónicos. Por esa razón, las formas de concentrar la luz para propagar a través de los materiales a nanoescala son muy exigentes.

La longitud de onda de la luz captada por una lámina de grafeno puede ser 100 veces menor que la luz que se propaga libremente en el espacio. Por consiguiente, esta luz que se propaga por la lámina de grafeno —llamada plasmón de grafeno— requiere mucho menos espacio. Esta es la razón por la que los dispositivos fotónicos pueden ser mucho más pequeños. Las tecnologías basadas en el grafeno hacen posible los nanodispositivos ópticos extremadamente pequeños.

La luz atrapada dentro de las diminutas láminas de grafeno (nanodiscos y nanorectágulos bidimensionales) se ha visualizado por los investigadores con la ayuda de un microscopio de campo cercano. Las imágenes tomadas del microscopio han sido interpretadas con la ayuda de ciertas simulaciones por ordenador y se ha descubierto una familia rica de ondas ultracomprimidas de plasmones dentro de las nanoláminas. Estas ondas son muy sensibles a las formas de las nanoláminas y pueden ser manipuladas de manera eficiente por el cambio de la tensión aplicada directamente a las nanoláminas. "Nuestros resultados abren nuevas vías a las tecnologías basadas en el grafeno, que podrían dar lugar a nanodispositivos ópticos eficientes y de baja potencia”, resume el investigador Ikerbasque Rainer Hillenbrand, que ha dirigido el proyecto.

Noticia relacionada: https://www.nanogune.eu/newsroom/nanolight-edge

_{Rainer Hillenbrand y Martin Schnell en el laboratorio de nanoGUNE en el que se ha llevado a cabo el experimento}

Los materiales hiperbólicos son sólidos muy especiales que se comportan como un metal en una dirección, dejando pasar la corriente, pero como un aislante en la dirección perpendicular. Hasta ahora, estos materiales han sido usados para fabricar nanoestructuras complejas que permiten la proyección de imágenes en longitudes de onda muy bajas, así como controlar la luz a escala nanométrica. Sin embargo, a fin de obtener todo el potencial de este nuevo tipo de materiales, es necesario estudiar y entender cómo se comporta la luz en su interior.

“La dificultad de los experimentos realizados consiste en la extremadamente corta longitud de onda de la luz cuando está dentro de un material hiperbólico”, explica el investigador Ikerbasque Rainer Hillenbrand, líder del grupo de Nanoóptica de nanoGUNE. “Cuando la luz está dentro de este tipo de material —en nuestro caso, el nitruro de boro—, viaja como algo que se conoce como un polariton, donde la luz se acopla a las vibraciones propias del material”

Estos polaritones se comportan como una espada de doble filo. Por un lado, comprimen la luz en volúmenes muy pequeños. Esto es útil para una amplia gama de aplicaciones que requieren la manipulación de la luz en espacios muy pequeños, como la detección y la identificación de moléculas individuales. Por otro lado, este enorme confinamiento requiere del desarrollo de técnicas especiales para observar su comportamiento.

Espacio y tiempo

Edward Yoxall, que llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE junto con Martin Schnell, profundiza: “Debido a que la longitud de onda de un polariton es tan pequeña, no podemos utilizar los equipos de óptica “convencionales”, tales como las lentes y las cámaras, para obtener imágenes. Tenemos que utilizar un microscopio especial que es capaz de ver los detalles 1000 veces más pequeños que un microscopio de infrarrojos estándar”. Este microscopio visualiza “objetos” de tan sólo 10 nanómetros.

"“Pero no sólo es la resolución espacial la que hace que el seguimiento de polaritones sea un trabajo complicado” continúa Yoxall. “Si queremos observar cómo se mueve un polariton, tenemos que verlo en el espacio y en el tiempo. Esto se puede hacer mediante la emisión de destellos muy cortos de luz o pulsos, de una duración de tan solo 100 femtoseguntos (menos de una millonésima de una millonésima de segundo)”. Mediante el uso de estos destellos en combinación con un microscopio de campo cercano, los investigadores son capaces de observar los polaritones pasando por diferentes lugares a lo largo del nitruro de boro, lo que permite medir su velocidad.

Utilizando la información de espacio y tiempo que se recoge durante el experimento, los científicos dedujeron exactamente el recorrido del polariton y observaron algunos comportamientos intrigantes. "Hemos observado que la luz es más lenta en este material y que, además, puede viajar a 'contracorriente', es decir, que las ondas del polariton pueden viajar en dirección opuesta a su flujo de energía", subraya Hillenbrand.

“Sin duda uno de los resultados más interesantes es la velocidad a la que se mueve el polariton”, dice Yoxall. “Hay un gran interés en el estudio de la luz lenta, y lo que nosotros hemos mostrado en este trabajo es una nueva forma de conseguirla”. La luz lenta en estructuras fotónicas convencionales posee un gran potencial de aplicación en tecnologías de detección y comunicación, debido a la mejora de la interacción luz-materia. El enorme confinamiento de la luz al que se llega en estos materiales hiperbólicos podría ayudar a miniaturizar los dispositivos.

Las becas serán de 3.000€ para todo el periodo del máster y no serán compatibles con otras ayudas o fondos que cubran el mismo fin. Los interesados deberán estar pre-inscritos y aceptados en los másteres mencionados para poder optar a estas ayudas. Los candidatos encontrarán toda la información sobre la oferta de proyectos de máster y el proceso para solicitar la beca siguiendo este enlace.

Además de las becas, nanoGUNE ofrece a los estudiantes de máster, de cualquier titulación de máster oficial, la posibilidad de desarrollar la tesis de máster dentro de uno de sus grupos de investigación.

Investigadores de nanoGUNE, en colaboración con el ICFO y Graphenea, proponen una plataforma tecnológica basada en antenas metálicas que permiten atrapar y controlar la luz en grafeno, un material de un solo átomo de espesor. Los experimentos muestran que la luz guiada en el grafeno, extremadamente confinada al mismo, puede ser dirigida y curvada, siguiendo los principios fundamentales de la óptica convencional. Por tanto, el trabajo, publicado ayer en la prestigiosa revista científica Science, abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos fotónicos más pequeños y más rápidos.

Los circuitos y dispositivos ópticos podrían realizar el procesamiento de señales y la computación mucho más rápidamente. "Sin embargo, aunque la luz es muy rápida, necesita demasiado espacio", explica Rainer Hillenbrand, profesor Ikerbasque en nanoGUNE y la UPV/EHU. De hecho, la propagación de la luz necesita al menos el espacio de la mitad de su longitud de onda, que es mucho más grande que los componentes electrónicos básicos de última generación en nuestros ordenadores. Por esa razón, surge el desafío de comprimir la luz y controlar su propagación en la nanoescala a través de un material dado.

El asombroso grafeno, material de una sola capa de átomos de carbono con propiedades extraordinarias, puede ser la solución. La longitud de onda de la luz capturada por una capa de grafeno puede ser reducida considerablemente, en un factor de 10 a 100, en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Como consecuencia, esta luz que se propaga a lo largo de la capa de grafeno —llamada plasmón del grafeno— requiere mucho menos espacio.

Sin embargo, la transformación de manera eficiente de la luz en plasmones del grafeno y su manipulación con un dispositivo compacto es todo un reto tecnológico. Un equipo de investigadores de nanoGUNE, ICFO y Graphenea —miembros del Grafene Flagship de la UE— demuestra ahora que el concepto de antena comúnmente utilizado para las ondas de radio podría ser una solución prometedora. El equipo muestra que una barra de metal de tamaño nanométrico colocada sobre el grafeno puede captar luz infrarroja (actúando como una antena para la luz) y transformarla en plasmones del grafeno, de forma análoga a una antena de radio que convierte las ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico.

"Presentamos una plataforma tecnológica versátil, basada en antenas ópticas resonantes, para el lanzamiento y el control de la propagación de plasmones del grafeno, lo que representa un paso esencial para el desarrollo de circuitos plasmónicos con grafeno", comenta el líder del equipo, Rainer Hillenbrand. Pablo Alonso-González, quien llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE, destaca algunas de las ventajas que ofrece el dispositivo de antena: "La excitación de los plasmones del grafeno es puramente óptica, el dispositivo es compacto y la fase y los frentes de onda de los plasmones se pueden controlar directamente mediante la adaptación de la geometría de las antenas. Esto es esencial para el desarrollo de aplicaciones ópticas basadas en el enfoque y guiado de luz".

Representación gráfica de la refracción de los plasmones del grafeno - puesta en marcha por una antena de oro minúsculo - al pasar por un prisma de un solo átomo de espesor (nanoGUNE).

El equipo de investigación también realizó estudios teóricos. Alexey Nikitin, Ikerbasque Fellow en nanoGUNE y autor de los cálculos, explica que "de acuerdo a la teoría, la operación de nuestro dispositivo es muy eficiente, y todas las futuras aplicaciones tecnológicas dependerán, esencialmente, de las limitaciones en la fabricación y la calidad del grafeno".

Basándose en los cálculos de Nikitin, el grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE, liderado por los investigadores Ikerbasque Luis Hueso y Félix Casanova, fabricó nanoantenas de oro sobre grafeno proporcionado por Graphenea. Posteriormente, el grupo de Nanoóptica utilizó el microscopio de campo cercano NEASPEC para visualizar cómo los plasmones del grafeno se ponen en marcha y se propagan a lo largo de la capa de grafeno. En las imágenes, los investigadores vieron que, efectivamente, las ondas sobre el grafeno se propagan lejos de la antena, de la misma forma que se propagan las olas en una superficie de agua cuando se lanza una piedra a la misma.

Con el fin de probar si la propagación de luz a lo largo de una capa de carbono de un solo átomo de grosor sigue las leyes de la óptica convencional, los investigadores diseñaron distintos experimentos para enfocar y refractar la luz. Para el experimento de enfoque, curvaron la antena. Las imágenes resultantes mostraron que los plasmones del grafeno se concentran a una cierta distancia de la antena, como cuando un haz de luz se focaliza con una lente o espejo cóncavo. 

El grupo también observó que los plasmones del grafeno se refractan (cambian de dirección) cuando pasan a través de una doble capa de grafeno en forma de prisma, de forma análoga a como se flexiona un haz de luz al pasar a través de un prisma de cristal. "La principal diferencia es que el prisma de grafeno es de solo dos átomos de espesor. Es el prisma óptico refractor más delgado que se conoce", dice Rainer Hillenbrand. Curiosamente, los plasmones del grafeno cambian de dirección porque la conductividad es mayor en el prisma de dos átomos de espesor que en la capa de un solo átomo que lo rodea. En el futuro, tales cambios de conductividad en el grafeno podrían ser establecidos por medios electrónicos simples, lo que permitiría un control altamente eficiente de la refracción, entre otros, para aplicaciones de guiado de luz.

En definitiva, los experimentos muestran que los principios fundamentales y más importantes de la óptica convencional también se aplican a los plasmones del grafeno, es decir, a luz extremadamente comprimida que  se propaga a lo largo de una sola capa de átomos de carbono. Los futuros desarrollos basados en estos resultados podrían conducir a circuitos y dispositivos ópticos extremadamente miniaturizados que podrían ser útilizados en aplicaciones de detección y computación.

Publicación original

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.

Investigadores del centro de investigación CIC nanoGUNE, la Universidad de Berlín y la compañía Neaspec emplean la espectroscopia nano-FTIR para la identificación química y estructural de las proteínas con una resolución espacial nanométrica y con sensibilidad a los complejos de proteínas individuales de menos de un attogramo (10-18 gramos). El trabajo ha sido recientemente publicado en Nature Communications.Nature Communications, 2013, DOI:10.1038/ncomms3890).

Las proteínas son los ladrillos básicos de la vida. La química y la estructura de las proteínas son esenciales para su función biológica. De hecho, la estructura de las proteínas determina sus propiedades mecánicas y catalíticas, por ejemplo, en las enzimas. Tales funciones dan forma, literalmente, a todos los seres vivos. Además, la estructura de las proteínas también juega un papel importante en muchas enfermedades. Por ejemplo, la estructura secundaria de una proteína (si tiene una subestructura interna de hélice (alfa) o forma de hoja plegada (beta)) es de gran relevancia en el mecanismo patógeno que provoca el Alzheimer, Parkinson y otras enfermedades neurodegenerativas. Aunque se han desarrollado varios métodos para estudiar la química y la estructura de las proteínas, el reconocimiento y el mapeado de la estructura secundaria a escala nanométrica, o incluso la sensibilidad de una única proteína sigue siendo un reto importante. Una nueva técnica de espectroscopia infrarroja, llamada nano-FTIR, permite obtener con una gran sensibilidad la identificación química de la estructura secundaria de las proteínas a escala nanométrica.

Fotografía: Ilustración de la nanoespectroscopia infrarroja de una proteína. Una punta de metal (amarillo) se ilumina con una luz infrarroja. Debido a la función de antena de la punta, la luz se concentra en el ápice de la punta y crea un nanofoco que ilumna las proteínas. Copyright: CIC nanoGUNE

nano-FTIR es una técnica óptica que combina la microscopía óptica de barrido de campo cercano (s- SNOM) con la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Se trata de una herramienta que se usa habitualmente para estudiar la estructura secundaria de las proteínas que, sin embargo, no permite, por sí misma, realizar el mapeado de las proteínas a escala nanométrica. En la espectroscopia nano-FTIR, iluminando la punta afilada metalizada con un láser infrarrojo de banda ancha, y analizando la luz de retorno diseminada con un espectrómetro de transformada de Fourier especialmente diseñado, los investigadores han podido mostrar la espectroscopia local infrarroja de las proteínas con una resolución espacial inferior a 30 nm.

“La punta actúa como una antena para la luz infrarroja y la concentra en su vértice. El nanofoco en el vértice de la punta puede considerarse como una fuente de luz infrarroja ultrapequeña. Es tan pequeña que solamente ilumina una superficie de alrededor de 30x30 nm, que es la escala de los grandes complejos de proteínas”, dice el líder del proyecto Rainer Hillenbrand.

Con el fin de demostrar la versatilidad de la nano-FTIR en la espectroscopia de protéinas a escala nanométrica, los investigadores midieron los espectros infrarrojos de virus individuales, complejos de ferritina, membranas púrpuras y fibrillas de insulina. “Todos ellos presentan variaciones en la estructura secundaria —describe Iban Amenabar, quien realizó los experimentos de nanoespectroscopia—; los virus y la ferritina están hechos, principalmente, de estructura hélice-alfa, mientras que las fibrillas de insulina están hechas, principalmente, de estructuras de hoja-beta”. Simon Poly, el biólogo del equipo, explica que “en una mezcla de fibrillas de insulina y algunos virus la espectroscopia de FTIR estándar no reveló la presencia de los virus hélice-alfa. Al sondear las nanoestructuras de las proteínas una por una con la técnica de nano-FTIR pudimos identificar claramente el virus, es decir, las estructuras con forma alfahelicoidal entre las de hojas-beta”.

Un aspecto relevante de gran importancia práctica es que el espectro del nano-FTIR es totalmente compatible con el espectro convencional del FTIR, mientras que la resolución espacial se ve incrementada por un factor de 100 comparada con la de la espectroscopia infrarroja convencional. “Podríamos medir los espectros infrarrojos de las partículas de ferritina individuales. Son complejos de proteínas de solo 24 proteínas. La masa de un complejo de ferritina es muy pequeña, solamente 1 attogramo, pero podríamos claramente reconocer su estructura hélice-alfa”, explica Amenabar.

Los investigadores estudiaron también las fibrillas de insulina individuales, que son un sistema de referencia para las enfermedades neurodegenerativas. Se conoce que las fibrillas de insulina tienen un núcleo de estructura de hoja-beta, pero su estructura completa todavía no está totalmente clara. “Gracias al espectro nano-FTIR de las fibrillas individuales reconocimos no solamente la estructura de hoja-beta, sino también estructuras de hélice-alfa que pueden resultar interesantes para la asociación de fibrillas” añade Alexander Bittner, líder del Grupo de Autoensamblaje de nanoGUNE.

“Estamos entusiasmados con las nuevas posiblidades que ofrece la nano-FTIR. Con puntas más afiladas y la función de antena mejorada, esperamos obtener espectros infrarrojos de proteínas individuales en el futuro. Vemos múltiples aplicaciones tales como el estudio de cambios conformacionales en las estructuras amiloides a nivel molecular, el mapeado de las modificaciones de las proteínas en nanoescala en tejido biomédico o el mapeado label-free de proteínas de membrana. Esto podría conducirnos a un nuevo campo de la nanobioespectroscopia infrarroja”, concluye Rainer Hillenbrand, líder del Grupo de Nanoóptica de nanoGUNE.