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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
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
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
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
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
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
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
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
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
…………………
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
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
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
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
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En esta presentación se han tomado muchas imágenes de la red. En la mayoría de los casos se indica expresamente de donde.
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Joaquin.sevilla@gmail.com
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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”