Elektroiekin dantzan nanoeskala argitzeko

Historian zehar eginiko aurrerapen teknologiko eta aurkikuntza zientifiko ugari gure ikusmen-gaitasunaren hobekuntzan oinarritu dira. XVI. eta XVII. mendeetan, bultzada nabarmena eman zieten biologia eta medikuntzari luparen eta, bereziki, lehen mikroskopio optikoen asmakuntzek. Sistema optiko tradizional horiek, ordea, bereizmen mugatua dute; alegia, difrakzioa pairatzen dute: tresna horien bitartez, erabilitako argiaren uhin-luzeraren antzeko tamaina, edo handiagoa, duten xehetasunak soilik bereiz ditzakegu. Ondoz-ondoko bi uhin-fronte edo gailurren arteko distantzia da uhin-luzera, 1. irudian ageri den bezala. Itsasoko olatuen kasuan, adibidez, gailurren arteko distantzia hamarnaka metrokoa izan ohi da. Argi ikusgaiaren kasuan, aldiz, uhin-luzera 380 nm eta 750 nm bitartekoa da, eta, beraz, ezin ditzakegu bereizi tamaina hori baino txikiagoa duten xehetasunak sistema optiko tradizionalak erabiliz.

Difrakzioak ezartzen duen muga gainditzeko, argia bere uhin-luzera baino txikiagoa den espazioan konfinatzea ahalbidetzen duten teknikak behar ditugu. Zorionez, argiak eta materiak nanoeskalan duten elkarrekintzaren ondorioz, argiaren lokalizazioa lor daiteke eskala honetan. Nanofotonikaren erresuman murgildu behar gara horretarako.

Elektroiekin dantzatuz

Argiaren uhin-luzeraz azpiko konfinamendua gainazaleko plasmoien bitartez erdiets daiteke, besteak beste. Zer dira, ordea, plasmoiak? Material eroaleetan, isolatzaileetan ez bezala, elektroiak aske higi daitezke. Elektroi askeen multzoa gas edo hodei baten gisan irudikatu dezakegu. Hodei hori bere oreka egoeratik ateraz gero —2. irudian ageri den bezala—, elektroi falta egongo da hodei hori hasieran zegoen lekuan. Gune batean, beraz, karga negatiboaren soberakin bat izango dugu, eta, bestetik, elektroi horiek aurretik zeuden eskualdean, karga positiboaren soberakina. Karga positibo eta negatiboek elkar erakartzen dutenez, elektroi-hodeiak erakarpen-indar bat pairatuko du, eta alde batetik bestera joango da oszilatzen, berezko maiztasun batekin. Alegia, elektroiak dantzan ibil daitezke material eroaleetan, eta berezko erritmo bat dute horretarako, materialaren araberakoa dena. Plasmoi deritze elektroi askeen oszilazio kolektibo horiei.

2. Irudia: Plasmoien (elektroi askeen oszilazio kolektiboen) eskema. Arg. Mattin Urbieta Galarraga

Plasmoiak argiaren eta, oro har, uhin elektromagnetikoen bitartez kitzika daitezke. Eroalea den egitura itxi batean —nanopartikula batean, adibidez—, bertako elektroiek uhin horren eremu elektrikoari jarraituko diote, eta nanopartikularen gainazalaren alde batean metatuko dira, 3. irudian ageri den bezala. Argiaren eremu elektrikoak oszilatu ahala, elektroi-hodeiak ere oszilatu egingo du hari segika, argiak markatzen dien erritmoan dantza eginez. Argiaren maiztasuna eta berezko maiztasuna berdinak baldin badira, erresonantzia bat izango dugu nanopartikulan, hau da, plasmoi bat kitzikatuko dugu.

3. Irudia: Argiak nanopartikuletan kitzikatutako plasmoiak. Arg. Mattin Urbieta Galarraga

Gainazalean dugun karga-metaketa horrek eremu elektriko bat sortuko du, induzitutako eremua deitu ohi dena. Eremu elektriko induzitu hori oso bortitza izaten da karga metatu den gainazalaren inguruan. Argiztatzeko erabili dugun argiaren intentsitatea baino 100 aldiz bortitzagoa ere izan daiteke, baina oso azkar (esponentzialki) ahultzen da gainazaletik aldendu ahala.  Horrela eremuaren handipen bat izan dezakegu nanometro gutxi batzuetako eskualde batean. Ondorioz, plasmoiek argia lokalizatzeko gaitasuna dute, eta difrakzio-muga gainditzeko balia daitezke. Horri esker, nanopartikularen gainazaletik gertu dauden xehetasunak bereiz ditzakegu; molekulak, adibidez. Nork pentsatuko luke elektroi dantzari batzuek nanoeskala argitu zezaketenik!

Ez hori bakarrik, nanopartikula plasmonikoek, argia nanoeskalan lokalizatzeaz gain, argia urrunera sakabanatzeko gaitasuna ere badute. Alegia, antena baten gisan, uhin elektromagnetikoak jaso eta ondoren igortzeko gaitasuna dute: nanoantenak dira. Gaitasun hori dela eta, argia erabiliz nanopartikula plasmonikoak galdekatu ditzakegu, nanopartikulari eta honen inguruneari buruzko informazioa lortzeko.

Argiaren lokalizazioa mugara eramanez

Nanopartikuletan kitzikatu daitezkeen plasmoiek lau ezaugarrirekiko menpekotasuna dute: nanopartikularen tamaina, geometria, materiala eta ingurunea. Nire tesian, induzitutako eremuetan nanopartikulen geometriak duen eragina ikertu dut. Izan ere, erpinen inguruan eremu elektrikoa are gehiago lokalizatzen da eroaleetan, bertan elektroi gehiago metatzen direlako. Fenomeno horri tximistorratz-efektua deritzo (tximistorratzen funtzionamenduak fenomeno honetan du oinarria).

4. Irudia: Ezkerretara nanopartikula eroalea gainazal eroale baten gainean; tartean eremua dago. Nanopartikula eta gainazalaren artean dauden atomoen tontortxoen inguruan lokalizatutako eremua. Arg. Mattin Urbieta Galarraga

Nire tesian ikusi dudanez, eskala atomikoan ere antzeko portaera dute elektroiek. Plasmoiekin konbinatuz gero, argiaren lokalizazio azpinanometrikoa erdiets dezakegu. Argiaren lokalizazio azpinanometriko horren bidez oso txikia den espazioari buruzko informazioa lortzen da, 4. irudian ageri den bezala. Adibidez, nanopartikula eta gainazal eroaleen artean molekulak baldin baditugu, azken horien bibrazioak kitzikatu eta haien egitura azter dezakegu. Bai, molekulek ere dantza egin dezakete!

Argiaren lokalizazioa aurresateko beharrezko osagaiak

Halako nanopartikula edo nanoegitura baten erpinetan lor dezakegun eremuaren lokalizazioa simulazio bidez aurresateko, zenbait eredu erabil ditzakegu. Izatez, atomoen kokalekua, hau da, kristal-egitura aintzat hartzen duen eredu batetik abiatu beharko ginateke. Ez hori bakarrik, elektroien izaera kuantikoa ere kontuan hartu beharko genuke. Tesi honetan, ordea, eremuaren lokalizazioa eta handipenaren zenbatekoa aurresateko eredu sinpleagoak erabili ditugu. Elektroi-hodeiak kanpo-kitzikapenik gabe —alegia, argiztapenik gabe— duen itxura edo forma aintzat hartzea nahikoa izan daiteke kasu askotan. 5. irudian ageri dira bi adibide. Hau da, egitura kristalinoa zehatz-mehatz deskribatzea ez da ezinbestekoa. Dantzalekuari hormak jarri dizkiogu, elektroiek dantza egiteko erabiltzen duten espazioa aintzat hartuz, horrela musikaren erritmoak eta dantzarien mugimenduek ez dezaten aldaketa nabarmenik pairatu.

5. Irudia: Ezkerretara atomoak eta haien kokalekua kontuan hartzen dituen eredua. Erdian argiaren lokalizazio azpinanometrikoa. Ezkerrean elektroi-hodeiaren itxura era hurbilduan aintzat hartzen duen gainazala. Arg. Mattin Urbieta Galarraga

Laginak aztertzeko eta plasmoiak kitzikatzeko argia erabili beharrean, beste teknika batzuk ere erabil ditzakegu. Elektroi-sortez balia gaitezke, adibidez, ekorketa eta transmisioko mikroskopio elektronikoak erabiliz. Halako mikroskopioek elektroi-sortak jaurtitzen dituzte laginekin talka egin edo horiek zeharkatu ondoren berriz jasotzeko. Elektroi-sorta horiek galdu duten energia, pairatu duten desbideraketa eta beste hainbat parametro neurtzen dira horrela. Datu horiek erabiliz laginaren propietateak zein diren azter dezakegu. Gainera, argia erabiliz baino askoz bereizmen hobea lortzen da, eta nanometroz azpiko bereizmena ahalbidetzen da. Horrez gain, nanoegitura eroaleetan plasmoiak kitzikatzeko erabil daitezke elektroi-sortak. Duten bereizmenagatik elektroi-sortak nanopartikularen geometriarekiko argia erabiltzen duten teknikak baino sentikorragoak dira. Aukera paregabea, beraz, ereduen mugak zehazteko. Nire tesian erakutsi dudanez, aipatutako eredu sinpleetan nanopartikularen geometria xehetasunez deskribatzea ezinbestekoa da eredu konplexuagoetan lortzen diren emaitzak berresteko.

Geometria modu hurbilduan, xehetasun gehiago edo gutxiagorekin, aintzat hartzeak nabarmen errazten ditu simulazioak. Are gehiago, esperimentu askotan erabiltzen diren nanoegitura asko handiegiak eta konplexuegiak dira atomoak banan-banan kontuan hartu ahal izateko eta modu horretan ordenagailu bidezko simulazioak egiteko. Besterik gabe, gaur egun ditugun ordenagailuek ez dute nahikoa potentzia hain simulazio astunak egiteko. Hortaz, ezinbestekoa da eskuragarri ditugun eredu sinpleagoek dituzten mugak eta gaitasunak zein diren zehaztea simulazioetan lorturiko emaitzen eta aurreikuspenen fidagarritasuna berresteko. Ez genuke-eta nahi elektroiak erritmoa galduta dantzan ibiltzea.

BIBLIOGRAFIA

L. Novotny and B. Hecht, “Principles of Nano-Optics”, Cambridge University Press, Cambridge, 2012.

P. N. Prasad, “Nanophotonics”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2004.

M. Pelton, J. Aizpurua eta G. Bryant, “Metal-nanoparticle plasmonics”, Laser & Photonics Review 2, 136–159 (2008).

F. Benz, M. K. Schmidt, A. Dreismann, R. Chikkaraddy, Y. Zhang, A. Demetriadou, C. Carnegie, H. Ohadi, B. de Nijs, R. Esteban, J. Aizpurua eta J. J. Baumberg, “Single-molecule optomechanics in “picocavities””, Science 354, 726–729 (2016).

M. Urbieta, M. Barbry, Y. Zhang, P. Koval, D. Sánchez-Portal, N. Zabala eta J. Aizpurua, “Atomic-Scale Lightning Rod Effect in Plasmonic Picocavities: A Classical View to a Quantum Effect”, ACS Nano 12, 585–595 (2018)

R. Egerton, “Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope”. Springer US, Boston, MA, 2011.

F. J. García De Abajo, “Optical excitations in electron microscopy”, Reviews of Modern Physics 82, 209–275 (2010).