Transmisión óptica extraordinaria

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Patrón de interferencia de rendijas dobles, donde el ancho de la rendija es un tercio de la longitud de onda.

La transmisión óptica extraordinaria (EOT) es el fenómeno de transmisión de luz muy mejorada a través de una apertura por debajo de la longitud de onda en una película metálica que de otro modo sería opaca y que ha sido modelada con una estructura periódica que se repite regularmente. Generalmente, cuando la luz de una determinada longitud de onda incide en una apertura inferior a la longitud de onda, se difracta isotrópicamente en todas direcciones de manera uniforme, con una mínima transmisión de campo lejano. Esta es la comprensión de la teoría clásica de la apertura descrita por Bethe. [1]​ Sin embargo, en EOT, la estructura que se repite regularmente permite que se produzca una eficiencia de transmisión mucho mayor, hasta varios órdenes de magnitud mayor que la predicha por la teoría de apertura clásica. Fue descrito por primera vez en 1998. [2]​ [3]​

Este fenómeno, que se analizó completamente con un modelo de dispersión microscópico, se atribuye en parte a la presencia de resonancias de plasmón superficial [4]​ e interferencia constructiva. Un plasmón de superficie (SP) es una excitación colectiva de los electrones en la unión entre un conductor y un aislante y es una de una serie de interacciones entre la luz y una superficie metálica llamadas plasmónicas.

Actualmente, existe evidencia experimental de EOT fuera del rango óptico. [5]​ Los enfoques analíticos también predicen el EOT en placas perforadas con un modelo de conductor perfecto. [6]​ [7]​ [8]​ Los agujeros pueden emular de alguna manera los plasmones en otras regiones del espectro electromagnético donde no existen. [9]​ [10]​ [11]​ Entonces, la contribución plasmónica es una peculiaridad muy particular de la resonancia EOT y no debe tomarse como la principal contribución al fenómeno. Trabajos más recientes han demostrado una fuerte contribución del acoplamiento de ondas evanescentes superpuestas, [12]​ lo que explica por qué la resonancia de plasmón superficial mejora el efecto EOT en ambos lados de una película metálica en frecuencias ópticas, pero explica la transmisión en el rango de terahercios.

Se han elaborado explicaciones analíticas simples de este fenómeno, enfatizando la similitud entre conjuntos de partículas y conjuntos de agujeros, y estableciendo que el fenómeno está dominado por la difracción. [13]​ [14]​ [15]​

Aplicaciones[editar]

Se espera que EOT desempeñe un papel importante en la creación de componentes de circuitos integrados fotónicos (PIC) eficientes. Los circuitos integrados fotónicos son análogos a los circuitos electrónicos, pero se basan en fotones en lugar de electrones.

Uno de los resultados más innovadores relacionados con EOT es la posibilidad de implementar un metamaterial para zurdos (LHM) simplemente apilando matrices de agujeros. [16]​

La detección química y biológica basada en EOT (por ejemplo, la mejora de la detección de anticuerpos basada en ELISA) es otra área importante de investigación. [17]​ [18]​ [19]​ [20]​ [21]​ [22]​ [23]​ [24]​ Al igual que en un sensor de resonancia de plasmón de superficie tradicional, la eficiencia del EOT varía con la longitud de onda de la luz incidente y el valor del componente del vector de onda en el plano. Esto puede explotarse como un medio para transducir eventos de unión química midiendo un cambio en la constante dieléctrica local (debido a la unión de la especie objetivo) como un cambio en la ubicación espectral y/o la intensidad del pico EOT. La variación de la geometría del orificio altera la ubicación espectral del pico EOT de modo que los eventos de unión química puedan detectarse ópticamente a una longitud de onda deseada. [25]​ La detección basada en EOT ofrece una ventaja clave sobre un sensor químico SPR de estilo Kretschmann, la de ser un dispositivo inherentemente de escala nanométrica-micrómetro; por lo tanto, es particularmente susceptible a la miniaturización. [26]​

Referencias[editar]

  1. ↑ Bethe, H. (1944). «Theory of Diffraction by Small Holes». Physical Review 66 (7–8): 163-182. Bibcode:1944PhRv...66..163B. doi:10.1103/PhysRev.66.163. 
  2. ↑ T. W. Ebbesen; H. J. Lezec; H. F. Ghaemi; T. Thio; P. A. Wolff (1998). «Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays». Nature 391 (6668): 667-669. Bibcode:1998Natur.391..667E. doi:10.1038/35570. 
  3. ↑ Ebbesen, T. W.; Ghaemi, H. F.; Thio, Tineke; Grupp, D. E.; Lezec, H. J (March 1998). «Extraordinary Optical Transmission through Sub-wavelength Hole Arrays». Abstract from a Talk at the 1998 American Physical Society's Annual March Meeting: S15.11. Bibcode:1998APS..MAR.S1511E. 
  4. ↑ H. Liu; P. Lalanne (2008). «Microscopic theory of the extraordinary optical transmission». Nature 452 (7188): 728-731. Bibcode:2008Natur.452..728L. PMID 18401405. doi:10.1038/nature06762. 
  5. ↑ M. Beruete; M. Sorolla; I. Campillo; J.S. Dolado; L. Martín-Moreno; J. Bravo-Abad; F. J. García-Vidal (2005). «Enhanced Millimeter Wave Transmission Through Quasioptical Subwavelength Perforated Plates». IEEE Transactions on Antennas and Propagation 53 (6): 1897-1903. Bibcode:2005ITAP...53.1897B. doi:10.1109/TAP.2005.848689. 
  6. ↑ C.C. Chen (1970). «Transmission through a Conducting Screen Perforated Periodically with Apertures». IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 18 (9): 627-632. Bibcode:1970ITMTT..18..627C. doi:10.1109/TMTT.1970.1127298. 
  7. ↑ L. Martín-Moreno; F. J. García-Vidal; H. J. Lezec; K. M. Pellerin; T. Thio; J. B. Pendry; T.W. Ebbesen (2001). «Theory of Extraordinary Optical Transmission through Subwavelength Hole Arrays». Phys. Rev. Lett. 86 (6): 1114-1117. Bibcode:2001PhRvL..86.1114M. PMID 11178023. arXiv:cond-mat/0008204. doi:10.1103/PhysRevLett.86.1114. 
  8. ↑ F. J. Garcia de Abajo, R. Gomez-Medina, and J. J. Saenz (2005). «Full transmission through perfect-conductor subwavelength hole arrays». Phys. Rev. E 72 (1 Pt 2): 016608. Bibcode:2005PhRvE..72a6608G. PMID 16090108. arXiv:0708.0991. doi:10.1103/PhysRevE.72.016608. 
  9. ↑ R. Ulrich; M. Tacke (1972). «Submillimeter waveguiding on periodic metal structure». Appl. Phys. Lett. 22 (5): 251-253. Bibcode:1973ApPhL..22..251U. doi:10.1063/1.1654628. 
  10. ↑ J. B. Pendry; L. Martín-Moreno; F. J. García-Vidal (2004). «Mimicking surface plasmons with structured surfaces». Science 305 (5685): 847-848. Bibcode:2004Sci...305..847P. PMID 15247438. doi:10.1126/science.1098999. 
  11. ↑ F. J. Garcia de Abajo and J. J. Saenz (2005). «Electromagnetic surface modes in structured perfect-conductor surfaces». Phys. Rev. Lett. 95 (23): 233901. Bibcode:2005PhRvL..95w3901G. PMID 16384307. arXiv:cond-mat/0506087. doi:10.1103/PhysRevLett.95.233901. 
  12. ↑ Z. Y. Fan; L. Zhan; X. Hu; Y. X. Xia (2008). «Critical process of extraordinary optical transmission through periodic subwavelength hole array: Hole-assisted evanescent-field coupling». Optics Communications 281 (21): 5467-5471. Bibcode:2008OptCo.281.5467F. doi:10.1016/j.optcom.2008.07.077. 
  13. ↑ F. J. García de Abajo (2007). «Light scattering by particle and hole arrays». Reviews of Modern Physics 79 (4): 1267-1290. Bibcode:2007RvMP...79.1267G. arXiv:0903.1671. doi:10.1103/RevModPhys.79.1267. 
  14. ↑ B. Ung; Y. Sheng (2008). «Optical surface waves over metallo-dielectric nanostructures: Sommerfeld integrals revisited». Optics Express 16 (12): 9073-9086. Bibcode:2008OExpr..16.9073U. PMID 18545619. arXiv:0803.1696. doi:10.1364/OE.16.009073. 
  15. ↑ M. W. Maqsood; R. Mehfuz; K. J. Chau (2010). «High-throughput diffraction-assisted surface-plasmon-polariton coupling by a super-wavelength slit». Optics Express 18 (21): 21669-21677. Bibcode:2011OExpr..1910429C. PMID 21643298. doi:10.1364/OE.19.010429. 
  16. ↑ M. Beruete; M. Sorolla; I. Campillo (2006). «Left-Handed Extraordinary Optical Transmission through a Photonic Crystal of Subwavelength Hole Arrays». Optics Express 14 (12): 5445-5455. Bibcode:2006OExpr..14.5445B. PMID 19516710. doi:10.1364/OE.14.005445. 
  17. ↑ A. De Leebeeck; L. K. S. Kumar; V. de Lange; D. Sinton; R. Gordon; A. G. Brolo (2007). «On-chip surface-based detection with nanohole arrays». Anal Chem 79 (11): 4094-4100. PMID 17447728. doi:10.1021/ac070001a. 
  18. ↑ A. G. Brolo; R. Gordon; K. L. Kavanagh (2008). «A new generation of sensors based on extraordinary light transmission». Acc. Chem. Res. 41 (8): 1049-1057. PMID 18605739. doi:10.1021/ar800074d. 
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  20. ↑ J. M. Yao; M. E. Stewart; J. Maria; T. W. Lee; S. K. Gray; J. A. Rogers; R. G. Nuzzo (2008). «Seeing molecules by eye: Surface plasmon resonance imaging at visible wavelengths with high spatial resolution and submonolayer sensitivity». Angewandte Chemie International Edition 47 (27): 5013-5017. PMID 18512212. doi:10.1002/anie.200800501. 
  21. ↑ P. R. H. Stark; A. E. Halleck; D. N. Larson (2005). «Short order nanohole arrays in metals for highly sensitive probing of local indices of refraction as the basis for a highly multiplexed biosensor technology». Methods 37 (1): 37-47. PMID 16199175. doi:10.1016/j.ymeth.2005.05.006. 
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  24. ↑ J. C. Yang; J. Ji; J. M. Hogle; D. N. Larson (2008). «Metallic nanohole arrays on fluoropolymer substrates as small label-free real-time bioorobes». Nano Lett 8 (9): 2718-2724. Bibcode:2008NanoL...8.2718Y. PMC 2662724. PMID 18710296. doi:10.1021/nl801043t. 
  25. ↑ Mehdi Tavakoli; Yousef Seyed Jalili; Seyed Mohammad Elahi (2019). «Rayleigh-Wood anomaly approximation with FDTD simulation of plasmonic gold nanohole array for determination of optimum extraordinary optical transmission characteristics». Superlattices and Microstructures 130: 454-471. Bibcode:2019SuMi..130..454T. doi:10.1016/j.spmi.2019.04.035. 
  26. ↑ Lameirinhas, Ricardo A. Marques; N. Torres, Joao Paulo; Baptista, António; M. Martins, Maria Joao (2022). «A Novel Analysis for Light Patterns in Nano Structures». IEEE Photonics Journal. doi:10.1109/JPHOT.2022.3227429. 
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