Un experimento logra que la luz pase eficientemente por agujeros muy peque?os

Hace unos d¨ªas la revista Science adelant¨® en su edici¨®n electr¨®nica los resultados de un trabajo que hemos hecho junto a investigadores franceses y estadounidenses que muestra por primera vez que es posible transmitir la luz con eficiencia por un agujero muy peque?o (con un di¨¢metro unas 100 veces menor que el de un cabello humano), lo que puede tener consecuencias interesantes en la miniaturizaci¨®n de los dispositivos electr¨®nicos y la utilizaci¨®n de la luz para sustituir estos dispositivos por otros ¨®pticos mucho m¨¢s r¨¢pidos.

El paso de la luz a trav¨¦s de aperturas se viene estudiando desde hace siglos. En cualquier libro de texto de ?ptica se dice que cuando la apertura es mayor que la longitud de onda de la luz (alrededor de media mil¨¦sima de mil¨ªmetro) la luz se comporta como una part¨ªcula, pasando toda la luz que incide sobre la apertura y saliendo en l¨ªnea recta. Esta es la situaci¨®n a la que estamos acostumbrados en la vida diaria. Sin embargo, para aperturas menores, la situaci¨®n es radicalmente opuesta y aparecen dos limitaciones severas: la cantidad de luz que se transmite es muy peque?a y adem¨¢s emerge del agujero en todas direcciones.

El objetivo ¨²ltimo era conseguir que pasara mucha luz por un ¨²nico agujero

'Escribir' ¨®pticamente permitir¨¢ almacenar m¨¢s informaci¨®n en menos espacio

Un gran avance en la superaci¨®n de la primera de esas limitaciones se obtuvo en el a?o 1998 , cuando el grupo de Thomas Ebbesen encontr¨® que perforando un conjunto peri¨®dico de agujeros en una l¨¢mina met¨¢lica, por cada agujero pasaba hasta mil veces m¨¢s luz que si hubiera un agujero solo. Este fen¨®meno ocurr¨ªa ¨²nicamente para ciertos valores de longitud de onda (es decir, para ciertos colores) relacionados con la distancia entre agujeros. A partir de ese momento, se intent¨® entender desde un punto de vista te¨®rico el origen de esta transmisi¨®n extraordinaria. Ya en el a?o 1999 publicamos un estudio te¨®rico de una estructura semejante (conjunto peri¨®dico de ranuras en vez de agujeros) en el que se mostraba que en este fen¨®meno jugaban un papel fundamental los llamados plasmones superficiales. Los plasmones son oscilaciones de carga el¨¦ctrica que existen en las superficies de los metales y que tienen una relaci¨®n muy fruct¨ªfera con la luz: son capaces de absorber la energ¨ªa de la luz que incide sobre un metal, de transportarla en forma de onda superficial y tambi¨¦n eventualmente de reemitirla en forma de luz. Para que estos plasmones puedan ser generados, la superficie met¨¢lica debe poseer una textura peri¨®dica, de ah¨ª la importancia de tener un conjunto ordenado de aperturas. El an¨¢lisis te¨®rico del conjunto peri¨®dico de agujeros, publicado el pasado a?o tambi¨¦n por nuestro equipo, confirm¨® el papel predominante de los plasmones en el fen¨®meno de transmisi¨®n extraordinaria y supuso la explicaci¨®n definitiva del experimento original.

Aunque se hab¨ªa conseguido que pasara mucha m¨¢s luz de la esperada, ¨¦sta pasaba a la vez por todos los agujeros. El objetivo ¨²ltimo era conseguir que pasara mucha luz a trav¨¦s de un ¨²nico agujero. El hecho de que los plasmones superficiales estuvieran en el origen del fen¨®meno nos sugiri¨® una hip¨®tesis: quiz¨¢s si se rodeara una ¨²nica apertura con una estructura peri¨®dica, ¨¦sta podr¨ªa generar plasmones que actuar¨ªan como una especie de embudo, recogiendo la luz incidente y redirigi¨¦ndola hacia el agujero central. Esta hip¨®tesis te¨®rica es la que ha sido verificada experimentalmente en el art¨ªculo publicado en Science . En el laboratorio ISIS de Estrasburgo mediante la t¨¦cnica de haz de iones focalizados (FIB) se fabricaron estructuras met¨¢licas llamadas 'ojo de buey' (trincheras conc¨¦ntricas que no atraviesan el metal, separadas por una distancia fija, que rodean a un agujero central) donde se encontr¨® que para luz con longitud de onda igual a 650 nan¨®metros la intensidad transmitida es 10 veces mayor que la que incide directamente sobre el agujero.

Esta es s¨®lo la primera parte de la historia y del art¨ªculo ahora publicado. Lo que es a¨²n m¨¢s sorprendente e inesperado es que, creando una estructura 'ojo de buey' en la superficie de salida, se consigue adem¨¢s que la luz transmitida est¨¦ focalizada formando un haz colimado con una divergencia de 5 grados. De esta forma se supera la segunda limitaci¨®n expuesta al principio de este art¨ªculo. El origen de esta focalizaci¨®n tambi¨¦n reside en los plasmones superficiales, en este caso en los de la superficie de salida: parte de la luz que sale por el agujero es emitida directamente, pero otra parte importante de esa radiaci¨®n es transportada a las trincheras por los plasmones superficiales. Las trincheras la reemiten, produci¨¦ndose un fen¨®meno de interferencia entre la emisi¨®n primaria del agujero y la secundaria de las trincheras, dando lugar a un haz de luz fuertemente colimado. Variando los par¨¢metros geom¨¦tricos que definen la estructura se pueden elegir qu¨¦ colores son preferentemente emitidos y en qu¨¦ direcciones.

?Por qu¨¦ es importante desde un punto de vista pr¨¢ctico superar estas dos limitaciones?

El poder escribir ¨®pticamente en regiones menores que la longitud de onda podr¨ªa permitir un almacenamiento ¨®ptico de m¨¢s alta densidad (almacenar m¨¢s informaci¨®n en menos espacio) y tambi¨¦n miniaturizar circuitos integrados mediante litograf¨ªa ¨®ptica de m¨¢s alta resoluci¨®n. Otro campo de aplicaci¨®n podr¨ªa ser en la sustituci¨®n total o parcial de actuales dispositivos electr¨®nicos por los muchos m¨¢s r¨¢pidos dispositivos ¨®pticos. Para ello la posibilidad de dirigir luz de diferentes colores en diferentes direcciones mediante un dispositivo de reducidas dimensiones, como el considerado en nuestro trabajo, puede ser de importancia capital.

Finalmente nos gustar¨ªa destacar c¨®mo este hallazgo ilustra la fuerte interdependencia entre ciencia b¨¢sica y tecnolog¨ªa. En un sentido, sin una tecnolog¨ªa apropiada ni los experimentos ni las simulaciones te¨®ricas se hubieran podido realizar. En el otro sentido de la flecha, el an¨¢lisis experimental y te¨®rico de un fen¨®meno b¨¢sico como es el de la difracci¨®n de luz por un agujero abre la puerta a un gran n¨²mero de futuras aplicaciones tecnol¨®gicas.

Con Francisco Jos¨¦ Garc¨ªa Vidal (Universidad Aut¨®noma de Madrid) y Luis Mart¨ªn Moreno (Universidad de Zaragoza) han colaborado en este art¨ªculo H. J. Lezec y T. W. Ebbesen (Universidad Louis Pasteur de Estrasburgo).