Defectos atómicos en diamantes desvelan una nueva clase de antenas ópticas eficientes

Más de un siglo después de la invención de las antenas de radio por Henrich Hertz, y en una era en la que la miniaturización de los dispositivos tecnológicos está absolutamente extendida, es natural que haya surgido una versión a nanoescala de las antenas convencionales.

Estas nanoantenas ópticas, como se las llama, pueden concentrar una gran cantidad de energía óptica radiativa, aumentando enormemente la intensidad de una señal electromagnética. Esto es bastante análogo a cómo funcionan las antenas de radio, pero en este caso operando a frecuencias más altas y tamaños mucho más pequeños.

Hoy en día, estas nanoantenas se enfrentan a dos retos importantes. Para empezar, su miniaturización no puede lograr dimensiones arbitrariamente reducidas, ya que sufren grandes pérdidas cuando se fabrican en tamaños nanométricos (una milmillonésima parte de un metro). Además, el hecho de que la antena esté en estado sólido puede perjudicar la señal, dadas las interacciones con fonones (excitaciones colectivas en sólidos) u otras fluctuaciones que pueden limitar gravemente la eficiencia global.

Ahora, un equipo liderado por la Universidad de Chicago y con la contribución del Laboratorio Nacional Argonne e investigadores del ICFO, el Dr. Francesco Andreoli y el Prof. ICREA Darrick Chang, ha informado en Nature Photonics sobre una nueva antena óptica en un sólido que sortea estos obstáculos. Proponen el uso de centros de color en diamantes, específicamente centros germanio-vacante (GeV), como nanoantenas ópticas quirúrgicamente precisas (tanto espectral como espacialmente) y eficientes.

Los centros germanio-vacante se convierten en nanoantenas ópticas

Un centro de color es un defecto en el espaciado regular de los átomos dentro de un sólido que absorbe y emite luz visible de un color particular o radiación infrarroja o ultravioleta. Un centro germanio-vacante en un diamante es un caso particular de un centro de color, donde dos carbonos ausentes son reemplazados por un átomo de germanio.

El estudio presentado ha demostrado tanto teórica como experimentalmente que los GeV, cuando se iluminan con luz de una frecuencia particular (la frecuencia de resonancia), pueden funcionar como antenas eficientes. Más importante aún, estas muestran un aumento de hasta un millón de veces en la intensidad del campo cercano (es decir, de la señal emitida o absorbida a distancias cortas).

Además, demostraron que los GeV se pueden utilizar tanto para la manipulación activa como para la detección de su entorno próximo, lo que demuestra el poder de estas novedosas nanoantenas y sus propiedades únicas.

Arrojando luz sobre las fluctuaciones de carga en las vacantes cercanas

En este tipo de materiales, puede suceder, por casualidad, que se creen otras vacantes (es decir, átomos de carbono faltantes) cercanas al GeV. Esas vacantes pueden capturar o liberar localmente electrones de los átomos de carbono circundantes que forman el diamante, cambiando como consecuencia su propia carga.

Las fluctuaciones en el estado de carga de vacantes cercanas creadas aleatoriamente alteran el comportamiento del GeV de una manera perjudicial para muchas aplicaciones, siempre que no se controle (por ejemplo, para la generación de entrelazamiento entre qubits de estado sólido). Uno de los hitos que logró el equipo fue detectar, manipular e incluso inducir por primera vez estas variaciones de carga en las vacantes de carbono. 

Según el Dr. Francesco Andreoli: “Este efecto perjudicial ya se había observado, pero hasta ahora no estaba clara su causa ni cómo tratarlo. En nuestro estudio ofrecemos una explicación y un posible camino para controlar este problema”.

GeVs frente a nanoantenas tradicionales: un enfoque complementario

Los investigadores destacan que las nanoantenas de GeV son muy diferentes a las nanoantenas tradicionales.

Por un lado, las nanoantenas estándar están hechas de suficientes átomos como para que su respuesta óptica esté dictada por la de un material voluminoso, mientras que la estructura de un GeV se asemeja a la de un solo átomo. En consecuencia, una nanoantena de menos de (aproximadamente) diez nanómetros experimenta una absorción masiva, lo que hace que pierda drásticamente su eficiencia y no pueda amplificar el campo al máximo. Por el contrario, la eficiencia de un GeV como antena óptica viene dada por su coherencia cuántica, que efectivamente está desacoplada de su tamaño físico. Esto hace que el GeV sea perfectamente compatible con distancias nanométricas, lo que conlleva las grandes mejoras en la amplificación de la señal electromagnética reportadas en el estudio.

Por otro lado, este mismo mecanismo produce anchos de banda muy distintos en los que cada una de ellas puede operar. Las nanoantenas tradicionales son adecuadas para anchos de banda amplios, mientras que los GeV sólo pueden funcionar en anchos de banda más estrechos. Aunque para algunas aplicaciones es muy deseable un gran ancho de banda (ya que garantiza una capacidad de conducción de banda ancha), el ancho de banda reducido de los GeV ofrece una notable sensibilidad a perturbaciones débiles que de otro modo pasarían desapercibidas.

Nuevas direcciones para las nanoantenas ópticas

Dado que las mejoras de campo se utilizan a menudo en fotoquímica, una aplicación directa de las nanoantenas de GeV podría ser mejorar la detección de moléculas mediante espectroscopia Raman u otras técnicas basadas en luz. Los sensores ópticos y las tecnologías cuánticas también podrían beneficiarse de ellas, por ejemplo para controlar la decoherencia en qubits de estado sólido.

En resumen, este estudio abre caminos inexplorados para las nanoantenas ópticas, cuyo régimen típico de funcionamiento era muy diferente, tanto a un nivel técnico como a un nivel más conceptual y de largo plazo.

"El gran campo cercano generado a distancias cortas permite concentrar energía de manera masiva en un volumen notablemente pequeño, aumentando la eficiencia óptica y permitiendo una alta precisión espacial", enfatiza Andreoli sobre las nanoantenas reportadas. "Pero en un terreno más amplio, esto sólo muestra un ejemplo específico de cómo nuestra novedosa perspectiva sobre los centros de color podría abrir nuevas direcciones para las nanoantenas ópticas hacia regímenes aún inexplorados".

Referencia bibliográfica:

Li, Z., Guo, X., Jin, Y. et al. Atomic optical antennas in solids. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01456-5