Un experimento logra que la luz pase eficientemente por agujeros muy pequeños

Hace unos días la revista Science adelantó en su edición electrónica 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 pequeño (con un diámetro unas 100 veces menor que el de un cabello humano), lo que puede tener consecuencias interesantes en la miniaturización de los dispositivos electrónicos y la utilización de la luz para sustituir estos dispositivos por otros ópticos mucho más rápidos.

El paso de la luz a través de aperturas se viene estudiando desde hace siglos. En cualquier libro de texto de Óptica se dice que cuando la apertura es mayor que la longitud de onda de la luz (alrededor de media milésima de milímetro) la luz se comporta como una partícula, pasando toda la luz que incide sobre la apertura y saliendo en línea recta. Esta es la situación a la que estamos acostumbrados en la vida diaria. Sin embargo, para aperturas menores, la situación es radicalmente opuesta y aparecen dos limitaciones severas: la cantidad de luz que se transmite es muy pequeña y además emerge del agujero en todas direcciones.

El objetivo último era conseguir que pasara mucha luz por un único agujero

'Escribir' ópticamente permitirá almacenar más información en menos espacio

Un gran avance en la superación de la primera de esas limitaciones se obtuvo en el año 1998 , cuando el grupo de Thomas Ebbesen encontró que perforando un conjunto periódico de agujeros en una lámina metálica, por cada agujero pasaba hasta mil veces más luz que si hubiera un agujero solo. Este fenómeno ocurría únicamente para ciertos valores de longitud de onda (es decir, para ciertos colores) relacionados con la distancia entre agujeros. A partir de ese momento, se intentó entender desde un punto de vista teórico el origen de esta transmisión extraordinaria. Ya en el año 1999 publicamos un estudio teórico de una estructura semejante (conjunto periódico de ranuras en vez de agujeros) en el que se mostraba que en este fenómeno jugaban un papel fundamental los llamados plasmones superficiales. Los plasmones son oscilaciones de carga eléctrica que existen en las superficies de los metales y que tienen una relación muy fructífera con la luz: son capaces de absorber la energía de la luz que incide sobre un metal, de transportarla en forma de onda superficial y también eventualmente de reemitirla en forma de luz. Para que estos plasmones puedan ser generados, la superficie metálica debe poseer una textura periódica, de ahí la importancia de tener un conjunto ordenado de aperturas. El análisis teórico del conjunto periódico de agujeros, publicado el pasado año también por nuestro equipo, confirmó el papel predominante de los plasmones en el fenómeno de transmisión extraordinaria y supuso la explicación definitiva del experimento original.

Aunque se había conseguido que pasara mucha más luz de la esperada, ésta pasaba a la vez por todos los agujeros. El objetivo último era conseguir que pasara mucha luz a través de un único agujero. El hecho de que los plasmones superficiales estuvieran en el origen del fenómeno nos sugirió una hipótesis: quizás si se rodeara una única apertura con una estructura periódica, ésta podría generar plasmones que actuarían como una especie de embudo, recogiendo la luz incidente y redirigiéndola hacia el agujero central. Esta hipótesis teórica es la que ha sido verificada experimentalmente en el artículo publicado en Science . En el laboratorio ISIS de Estrasburgo mediante la técnica de haz de iones focalizados (FIB) se fabricaron estructuras metálicas llamadas 'ojo de buey' (trincheras concéntricas que no atraviesan el metal, separadas por una distancia fija, que rodean a un agujero central) donde se encontró que para luz con longitud de onda igual a 650 nanómetros la intensidad transmitida es 10 veces mayor que la que incide directamente sobre el agujero.

Esta es sólo la primera parte de la historia y del artículo ahora publicado. Lo que es aún más sorprendente e inesperado es que, creando una estructura 'ojo de buey' en la superficie de salida, se consigue además que la luz transmitida esté focalizada formando un haz colimado con una divergencia de 5 grados. De esta forma se supera la segunda limitación expuesta al principio de este artículo. El origen de esta focalización también 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 radiación es transportada a las trincheras por los plasmones superficiales. Las trincheras la reemiten, produciéndose un fenómeno de interferencia entre la emisión primaria del agujero y la secundaria de las trincheras, dando lugar a un haz de luz fuertemente colimado. Variando los parámetros geométricos que definen la estructura se pueden elegir qué colores son preferentemente emitidos y en qué direcciones.

¿Por qué es importante desde un punto de vista práctico superar estas dos limitaciones?

El poder escribir ópticamente en regiones menores que la longitud de onda podría permitir un almacenamiento óptico de más alta densidad (almacenar más información en menos espacio) y también miniaturizar circuitos integrados mediante litografía óptica de más alta resolución. Otro campo de aplicación podría ser en la sustitución total o parcial de actuales dispositivos electrónicos por los muchos más rápidos dispositivos ópticos. 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 gustaría destacar cómo este hallazgo ilustra la fuerte interdependencia entre ciencia básica y tecnología. En un sentido, sin una tecnología apropiada ni los experimentos ni las simulaciones teóricas se hubieran podido realizar. En el otro sentido de la flecha, el análisis experimental y teórico de un fenómeno básico como es el de la difracción de luz por un agujero abre la puerta a un gran número de futuras aplicaciones tecnológicas.

Con Francisco José García Vidal (Universidad Autónoma de Madrid) y Luis Martín Moreno (Universidad de Zaragoza) han colaborado en este artículo H. J. Lezec y T. W. Ebbesen (Universidad Louis Pasteur de Estrasburgo).