Nano Optica

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Una charla sobre nano-optica. Muchas figuras para introducir someramente temas que en realidad son mucho más complicados, pero se busca una aproximación divulgativa

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Nano Optica

  1. 1. Nano Óptica Qué 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”
  2. 2. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  3. 3. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  4. 4. Luz Ondas electromagnéticas. Periodicidad en el tiempo (frecuencia, ν ) y en el espacio (longitud de onda, λ ) c= λν
  5. 5. El tamaño de la luz Entre 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
  6. 6. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  7. 7. Fundamentos de la óptica (no- nano) <ul><li>La ley de Snell : </li></ul><ul><li>Los materiales tienen una característica propia que llamamos índice de refracción (n). Con ese parámetro responde a la propagación de la luz: </li></ul><ul><li>La velocidad en el medio es c/n </li></ul><ul><li>Cuando cambiamos de medio una parte se refleja y otra se refracta </li></ul>Willebrord   Snellius ( Snell ) (1581-1626) http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/OptGeometrica/historia/Historia.htm
  8. 8. Snell. Ángulo límite
  9. 9. Snell. Reflexión total interna La calidad de los brillantes Colector solar luminiscente http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5886/226
  10. 10. Reflexión total interna y fibra óptica http://www.uhu.es/ondas/proguia/propondas1/propondas1.html
  11. 11. Fibra óptica. Tamaños
  12. 12. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  13. 13. 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
  14. 14. Modulador integrado http://domino.research.ibm.com/comm/research_projects.nsf/pages/photonics.modulator.html
  15. 15. 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
  16. 16. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  17. 17. 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 &quot;famous equation&quot; when he was only 25 years old. http://photonics.usask.ca/photos/
  18. 18. Recubrimientos anti- reflectantes http://buphy.bu.edu/py106/notes/Thinfilm.html λ /4
  19. 19. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  20. 20. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  21. 21. 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
  22. 22. Campo cercano y campo lejano http://www.microwaves101.com/encyclopedia/absorbingradar1.cfm
  23. 23. 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
  24. 24. Microscopía de campo cercano SNOM 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
  25. 25. 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
  26. 26. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  27. 27. Bandas de energía de los electrones Niveles electrónicos y bandas de energía
  28. 28. Bandas electrónicas y fotónicas http://luxrerum.icmm.csic.es/?q=node/research/PCintro
  29. 29. Cristales fotónicos 1D, 2D y 3D
  30. 30. 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.
  31. 31. 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 …………………
  32. 32. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  33. 33. 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)
  34. 34. Plasmones http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mie_plasmon.svg http://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
  35. 35. Plasmón de superficie, ”olas de electrones”
  36. 36. Transmisión extraordinaria
  37. 37. Sensores por resonancia de plasmones
  38. 38. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  39. 39. En que trabajamos aquí y ahora <ul><li>Estudio (fundamental) de cristales fotónicos 3D y casi 2D </li></ul><ul><ul><li>Aplicación de resultados en diseño de materiales de interés en edificación (Euroinnova NanoCONS) </li></ul></ul><ul><li>SANBIONS (autoensamblado de macromoléculas sobre superficies nanoestructuradas) </li></ul>
  40. 40. En que trabajamos aquí y ahora <ul><li>Estudio (fundamental) de cristales fotónicos 3D y casi 2D </li></ul><ul><ul><li>Aplicación de resultados en diseño de materiales de interés en edificación (Euroinnova NanoCONS) </li></ul></ul><ul><li>SANBIONS (autoensamblado de macromoléculas sobre superficies nanoestructuradas) </li></ul>Ejemplo
  41. 41. Cristales fotónicos 3D y casi 2D (fundamentos) h Ese pico cuadra con el reflector Bragg formado por los planos de bolas λ = 2 n h ? C B A A
  42. 42. Planos de esferas (casi 2D)
  43. 43. Índice <ul><li>La luz, tamaños y tiempos propios </li></ul><ul><li>La óptica tradicional (Snell y Bragg) </li></ul><ul><ul><li>Fibra óptica </li></ul></ul><ul><ul><li>Óptica integrada (guías de onda) </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficies antirreflectantes ( λ /4) </li></ul></ul><ul><li>Fenómenos en el tamaño de λ y menores </li></ul><ul><ul><li>Campo cercano (SNOM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Cristales fotónicos </li></ul></ul><ul><ul><li>Plasmones </li></ul></ul><ul><li>Aplicaciones </li></ul>
  44. 44. Disclaimer / Descargo En esta presentación se han tomado muchas imágenes de la red. En la mayoría de los casos se indica expresamente de donde. Si alguno el autor de alguna de esas figura considera que su inclusión en esta presentación supone un uso ilegítimo, que no dude en comunicármelo y será inmediatamente retirada: [email_address] In this presentation many figures have been downloaded from the internet. In most cases it is indicated the precise origin. If authors of any of these figures feel that this presentation makes an inappropriate use of them, do not hesitate in contacting me, and I will retire it immediately: [email_address]
  45. 45. Nano Óptica Qué 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”
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