Dualidad onda-partícula en plasmones cuánticos

Dibujo20150302 Control of the surface plasmon-polariton field - nature comm

Seguro que habrás leído titulares escalofriantes como que se ha logrado fotografiar la luz como onda y como partícula a la vez. En realidad se han observado de forma simultánea dos propiedades de un plasmón cuántico, que está formado por electrones acoplados a fotones. Los niveles de energía de los electrones muestran la naturaleza de tipo partícula del plasmón y el patrón de interferencia espacial de los fotones su naturaleza ondulatoria. Fabrizio Carbone (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) y sus colegas han publicado este interesante resultado, logrado gracias a un microscopio electrónico ultrarrápido que obtiene imágenes usando electrones individuales, en Nature Communications.

Los plasmones superficiales de tipo polaritón son cuasipartículas formadas por fotones y electrones en interacción mutua en la interfaz entre dos medios. Los fotones se propagan por un medio dieléctrico y los electrones por un medio conductor. Carbone y sus colegas han usado un nanohilo de plata colocado sobre varias capas de grafeno situadas encima de la rejilla de cobre para muestras en el microscopio electrónico. Los plasmones cuánticos están formados por pocos fotones y/o pocos electrones, mostrando propiedades de onda, gracias a la interferencia cuántica de los fotones, y de partícula, gracias a los niveles energéticos discretos de los electrones. Como el plasmón es una cuasipartícula se pueden observar ambas propiedades de forma simultánea sin violar el principio de complementaridad de Bohr (algo que es imposible para un solo fotón o para un solo electrón).

El artículo técnico es L. Piazza et al., “Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field,” Nature Communications 6: 6407, 02 Mar 2015, doi: 10.1038/ncomms7407. Muchos medios se han hecho eco de esta noticia, pero te recomiendo leer en español a Enrique Borja, “¿Ondículas? ¿Partícondas? ¿Fotografiando la dualidad onda-partícula?,” Cuentos Cuánticos, 2 Mar 2015.

La plasmónica es la rama de la optoelectrónica que estudia los plasmones. Carbone y sus colegas estudian plasmones superficiales de tipo polaritón, o polaritones de tipo plasmón superficial, en inglés SPP por Surface Plasmon Polariton. Para abreviar, en esta entrada, usaré el término plasmón para referirme a estas cuasipartículas de tipo bosón formada por el acoplamiento de electrones en un conductor y de fotones en un dieléctrico que se propaga en la interfaz entre ambos medios.

Los plasmones permiten el control preciso de fotones en la nanoescala y preservan sus propiedades cuánticas. Por ejemplo, cuando se usa un nanohilo como conductor el plasmón permite guiar luz con longitud de onda submicrométrica en distancias micrométricas guiada por un nanohilo con un diámetro nanométrico, es decir, la guía de onda tiene una escala inferior a la longitud de onda de la luz guiada. Gracias a ello los plasmones tienen muchas aplicaciones potenciales en nanofotónica.

Rufus Ritchie introdujo el concepto de plasmón en 1957, basándose en trabajos previos de David Pines y David Bohm, que también dieron lugar en 1958 al concepto de polaritón introducido por John Hopfield. Hoy en día, cuando se habla de plasmones cuánticos siempre se alude a SPPs. Más información en M. S. Tame, K. R. McEnery, S. K. Ozdemir, J. Lee, S. A. Maier, M. S. Kim, “Quantum Plasmonics,” Nature Physics 9: 329-340, 30 Jan 2013, doi: 10.1038/nphys2615, arXiv:1312.6806 [quant-ph].

Un plasmón muestra propiedades cuánticas cuando está formado por muy pocos fotones, aunque tenga millones de electrones, o por muy pocos electrones. En el año 2002 se demostró que cuando dos fotones entrelazados dan lugar a un plasmón, el entrelazamiento se preserva mientras el plasmón se propaga y cuando reemite dichos fotones aparecen entrelazados. Los plasmones pueden codificar un cubit (bit cuántico) y propagar dicha información cuántica. Por ello tienen muchas aplicaciones en nanofotónica cuántica. El artículo pionero es E. Altewischer, M. P. van Exter, J. P. Woerdman, “Plasmon-assisted transmission of entangled photons,” Nature 418: 304-306, 18 Jul 2002, doi: 10.1038/nature00869.

Dibujo20150303 plasmon - particle top - wave bottom - nature phys

Más aún, en el año 2009 se demostró que los plasmones formados por un único fotón exhiben la dualidad onda-partícula. Esta figura muestra el resultado logrado. Un fotón se comporta como partícula cuando se propaga con una trayectoria bien definida y se puede localizar a lo largo de la misma. Los plasmones en un nanohilo conductor pueden propagarse como partículas con una trayectoria bien definida en el nanohilo gracias a los electrones. La parte de arriba de esta figura muestra el experimento. El plasmón como partícula se detecta en un extremo del nanohilo (A) o en el otro extremo (B), pero nunca en ambos.

La interferencia cuántica de un fotón consigo mismo permite observarlo como onda. En un plasmón formado por un único fotón también se observa este fenómeno de interferencia cuántica. La parte de abajo de la figura muestra el patrón de interferencia observado que depende de las propiedades ondulatorias del plasmón. Más detalles en el artículo técnico de Roman Kolesov et al., “Wave–particle duality of single surface plasmon polaritons,” Nature Physics 5: 470-474, 17 May 2009, doi: 10.1038/nphys1278.

El principio de complementaridad de Bohr afirma que un fotón o bien se observa como partícula o bien se observa como onda (lo mismo le ocurre a un electrón). Un plasmón cuántico también tiene una naturaleza dual, tanto de onda como de partícula. Pero como los plasmones de un único fotón se comportan como partículas gracias a sus electrones y como ondas gracias a su fotón, parece posible observar de forma simultánea las propiedades de onda y de partícula de un plasmón. Para ello hay que realizar un experimento que muestre las propiedades como partícula sin que medie un detector de coincidencia.

Hay otra manera de mostrar la naturaleza como partícula de un plasmón que se conoce desde los 1950. Al usar un plasmón con un solo electrón y muchos fotones, se puede observar un patrón característico que depende de los niveles de energía discretos de este electrón respecto al nivel de Fermi de los demás electrones del medio conductor. Estos niveles de energía discretos son una señal inequívoca de la naturaleza como partícula del plasmón. Por tanto, parece razonable pensar que en un plasmón formado por un fotón y un electrón se puedan medir de forma simultánea el patrón espacial de interferencia debido al fotón y el patrón energético discreto debido al electrón. Una imagen espacio-energía (o tiempo-energía) permite mostrar la naturaleza dual onda-partícula del plasmón de forma simultánea.

Dibujo20150303 plasmon - particle propagation with wave interference - nature comm

Esta figura de Fabrizio Carbone (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) y sus colegas muestra la naturaleza como partícula del plasmón. Ha sido obtenida con la microscopia PINEM (Photon-Induced Near-field Electron Microscopy) y muestra el plano tiempo-energía, con el tiempo en el eje vertical y la energía en el eje horizontal. La curva amarilla muestra picos asociados a los niveles de energía discretos del electrón (ΔEn · ℏω), es decir, a la naturaleza como partícula del plasmón. Esta figura no muestra ningún patrón de interferencia asociado al fotón, que se debería observar en el eje vertical. En las imágenes de abajo (c-g) se muestra el número de electrones observado en el nanohilo de 5,7 μm de longitud y ≃67 nm de radio.

Dibujo20150302 schematic experimental set-up - nature comm

El experimento usa un microscopio electrónico ultrarrápido que emite electrones individuales. El plasmón se propaga en un nanohilo de plata (Ag) de ~50 nm de radio y unos ~5 μm de longitud que se sitúa sobre varias capas de grafeno encima de una rejilla de cobre (la usada para colocar la muestra en el microscopio electrónico). Para observar la naturaleza ondulatoria (el patrón de interferencia debido al fotón) hay que lograr que el plasmón forme una onda estacionaria en el nanohilo con una excitación adecuada mediante pulsos de femtosegundos. La imagen que abre esta entrada muestra los electrones en el patrón estacionario alcanzado.

Dibujo20150303 conceptual representation - energy-space image - nature comm

Dibujo20150303 plasmon - time-energy plane - wave-particle image

Sin entrar en más detalles técnicos, la imagen tridimensional que habrás visto en muchas noticias muestra múltiples picos modulados por una señal oscilatoria en ambos ejes, el eje del tiempo y el eje de la energía. Esta modulación corresponde al patrón de interferencia en espacio debido al fotón que refleja la naturaleza ondulatoria del plasmón y a los niveles discretos de energía del electrón que refleja su naturaleza como partícula.

Como aclaró Enrique Borja en su entrada en Cuentos Cuánticos no tiene sentido físico afirmar que esta imagen muestra de forma simultánea la naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz. Sólo se muestran dos propiedades de un plasmón en estado estacionario en un nanohilo. Estas dos propiedades reflejan la dualidad onda-partícula del plasmón.


Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>