Microscopio electrónico ultrarrápido en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne.
La microscopía electrónica ultrarrápida conduce a un descubrimiento emocionante
27 de agosto de 2021 | Historia original del Laboratorio Nacional de Argonne
Todos los que alguna vez han estado en el Gran Cañón pueden tener fuertes sentimientos de estar cerca de uno de los bordes de la naturaleza. Del mismo modo, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne, del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), han descubierto que las nanopartículas de oro actúan de manera inusual cuando están cerca del borde de una lámina de carbono de un átomo de espesor, llamada grafeno. Esto podría tener grandes implicaciones para el desarrollo de nuevos sensores y dispositivos cuánticos.
Este descubrimiento fue posible gracias a un microscopio electrónico ultrarrápido (UEM) recientemente establecido en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación de la Oficina de Ciencia del DOE. El UEM permite la visualización e investigación de fenómenos a nanoescala y en marcos de tiempo de menos de una billonésima de segundo. Este descubrimiento podría causar sensación en el creciente campo de la plasmónica, que implica que la luz golpee la superficie de un material y desencadene ondas de electrones, conocidas como campos plasmónicos.
Durante años, los científicos han estado persiguiendo el desarrollo de dispositivos plasmónicos con una amplia gama de aplicaciones, desde el procesamiento de información cuántica hasta la optoelectrónica (que combina componentes electrónicos y basados en la luz) y los sensores con fines biológicos y médicos. Para ello, acoplan materiales bidimensionales con espesor de nivel atómico, como el grafeno, con partículas metálicas de tamaño nanométrico. Comprender el comportamiento plasmónico combinado de estos dos tipos diferentes de materiales requiere comprender exactamente cómo se acoplan.
En un estudio reciente de Argonne, los investigadores utilizaron microscopía electrónica ultrarrápida para observar directamente el acoplamiento entre las nanopartículas de oro y el grafeno.
“Los plasmones de superficie son oscilaciones electrónicas inducidas por la luz en la superficie de una nanopartícula o en una interfaz de una nanopartícula y otro material”, explica el nanocientífico de Argonne Haihua Liu. “Cuando arrojamos luz sobre la nanopartícula, se crea un campo plasmónico de corta duración. Los electrones pulsados en nuestro UEM interactúan con este campo de corta duración cuando los dos se superponen, y los electrones ganan o pierden energía. Luego, recolectamos esos electrones que ganan energía usando un filtro de energía para mapear las distribuciones del campo plasmónico alrededor de la nanopartícula”.
Al estudiar las nanopartículas de oro, Liu y sus colegas descubrieron un fenómeno inusual. Cuando la nanopartícula se asentaba sobre una lámina plana de grafeno, el campo plasmónico era simétrico. Pero cuando la nanopartícula se colocó cerca de un borde de grafeno, el campo plasmónico se concentró mucho más fuertemente cerca de la región del borde.
“Es una nueva forma notable de pensar sobre cómo podemos manipular la carga en forma de un campo plasmónico y otros fenómenos utilizando la luz a nanoescala”, afirma Liu. “Con capacidades ultrarrápidas, no se sabe lo que podríamos ver a medida que modificamos diferentes materiales y sus propiedades”.
Todo este proceso experimental, desde la estimulación de la nanopartícula hasta la detección del campo plasmónico, ocurre en menos de unos pocos cientos de cuatrillonésimas de segundo.
“El CNM es único en albergar un UEM que está abierto para el acceso de los usuarios y es capaz de tomar medidas con resolución espacial nanométrica y resolución de tiempo de menos de picosegundos”, dijo el director del CNM, IlkeArslan. “Tener la capacidad de tomar medidas como esta en un período de tiempo tan corto abre el examen de una amplia gama de nuevos fenómenos en estados de no equilibrio que no hemos tenido la capacidad de sondear antes. Estamos entusiasmados de proporcionar esta capacidad a la comunidad internacional de usuarios”.
La comprensión adquirida con respecto al mecanismo de acoplamiento de este sistema de nanopartículas-grafeno debería ser clave para el desarrollo futuro de nuevos y emocionantes dispositivos plasmónicos.
Referencia
Liu H, Gage TE, Singh P, et al. Visualization of Plasmonic Couplings Using Ultrafast Electron Microscopy. Nano Lett. 2021;21(13):5842-5849. doi:10.1021/acs.nanolett.1c01824
