Observación en el espacio real del acoplamiento ultrafuerte entre fonones ópticos y polaritones plasmónicos de superficie

 

Las propiedades físicas y químicas de átomos y moléculas dependen de sus niveles de energía.

Si se logran controlar estos niveles, es posible modificar las propiedades de los materiales, lo

que tiene aplicaciones importantes en la ciencia de materiales, la química y la fotónica.

Un enfoque moderno para lograr este control se basa en el acoplamiento fuerte y ultrafuerte

entre la luz y la materia. En este régimen, la energía se intercambia de manera coherente entre

ambos sistemas, dando lugar a oscilaciones de Rabi y a la formación de estados híbridos luz-

materia, llamados polaritones. En este proceso pueden intervenir distintas excitaciones

producto de la interacción luz-materia, como excitones, plasmones, fonones y vibraciones

moleculares.

En este trabajo, investigadores de España y Francia presentan una técnica nanoespectroscópica

basada en espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier a nanoescala (nano-FTIR).

Esta técnica permite mapear espacialmente el acoplamiento ultrafuerte vibracional entre los

fonones ópticos de una capa delgada de SiC y los polaritones plasmónicos de superficie de un

sustrato semiconductor de InAs.

Este acoplamiento ultrafuerte, que se produce cuando un sistema es fotoexcitado, ocurre

para muchos valores del vector de onda y da lugar a numerosos modos híbridos (mezclas

de luz y materia). En particular, cuando la luz se acopla a vibraciones moleculares o

a vibraciones de la red cristalina (fonones), se ha observado que la reactividad química

puede cambiar. Esto facilita el estudio de la química polaritónica, en la que la luz modifica

el comportamiento de los sistemas materiales, e incluso puede dar lugar a transiciones de

fase predichas teóricamente que son inducidas por acoplamientos fuerte y ultrafuerte.

Estos resultados son relevantes para diversas aplicaciones, como sensores ultrasensibles,

óptica no lineal y tecnologías cuánticas.

Para más información ver: Nature materials

Excitones electrogenerados para controlar la electroluminiscencia de lantánidos

 

En la actualidad, la fuente de iluminación más frecuente proviene de alguno de los dispositivos fotónicos modernos  basados en la tecnología de los diodos emisores de luz (LED), que convierten la energía eléctrica en fotones por medio del fenómeno de la electroluminiscencia (EL) de ciertos materiales. Aun cuando se han logrado grandes avances tecnológicos, mejorar los LEDs para lograr una paleta de colores más amplia, con colores más intensos y vivos, aumentar el tiempo de vida útil y lograr una producción optimizada empleando materiales convencionales se ha convertido en un reto. Una estrategia actual se basa en el empleo de nanopartículas aislantes que contienen iones del grupo de los lantánidos. Como muestra la tabla periódica, este grupo contiene 14 elementos químicos desde el lantano al iterbio. 

Los nanocristales dopados con lantánidos ofrecen un enfoque fundamentalmente distinto de la ingeniería de EL. Las transiciones 4f–4f de los lantánidos producen líneas de emisión estrechas (<10 nm de ancho de banda), con estabilidad fotoquímica y térmica, largos tiempos de vida del estado excitado y emisión insensible a defectos, todo lo cual resulta ventajoso para un funcionamiento EL espectralmente preciso y estable. 

Sin embargo, la naturaleza aislante de los nanocristales plantea un desafío para el transporte e inyección de portadores, lo que dificulta su aplicación en dispositivos optoelectrónicos accionados eléctricamente. 

Investigadores de China y Singapur demostraron una EL eficiente a partir de nanocristales aislantes (4 nm) del compuesto NaGdF4:X dopado con X = Tb3+, Eu3+ o Nd3+, recubiertos con una serie de ácidos 2-(difenilfosforil) benzoicos funcionalizados (ArPPOA). Estos ligandos, compuestos de óxido de fosfina con sitios de coordinación de carboxilos y P=O, presentan carácter híbrido de donador y aceptor, que sensibiliza eficazmente la luminiscencia de los nanocristales de lantánidos al modular la transferencia de carga entre los ligandos. Investigaciones mediante espectroscopías  ultrarrápidas revelaron que el fuerte acoplamiento entre ArPPOA y los nanocristales de lantánidos facilita el intercambio intersistema menor a 1 ns y una transferencia de energía de triplete a los nanocristales altamente eficiente (hasta un 96,7%). Mediante un control minucioso de la composición y concentración de dopantes en los nanocristales, los investigadores lograron una EL multicolor de amplio rango sin alterar la arquitectura del dispositivo, alcanzando una eficiencia cuántica externa superior al 5,9 % para Tb3+. 

Esta plataforma de nanocristales funcionalizados proporciona una estrategia modular para el control de excitones (par electrón-hueco) en sistemas de nanocristales aislantes, ofreciendo una vía para obtener materiales electroluminiscentes con espectros de emisión precisos. 

Este trabajo fue publicado en Nature

Más información en el artículo Nature

Los MOFs: Desde sus orígenes al Nobel

El término “enrejados metalorgánicos” (conocidos por sus siglas como MOFs, del inglés metal-organic frameworks) fue acuñado por Omar M. Yaghi en 1994, quien posteriormente dominó el campo; sin embargo, fue Richard Robson quien, desde 1989, había sentado las bases conceptuales de estas estructuras. Posteriormente, en 1997, Sumusu Kitagawa mostró la funcionalidad práctica de los MOFs al demostrar su capacidad para almacenar metano. Estos trabajos pioneros en el campo de los MOFs, derivaron en la síntesis de decenas de miles de compuestos con prometedoras aplicaciones. Debido a esto, el premio Nobel de química de 2025 fue otorgado a Susumu Kitagawa, Richard Robson y Omar M. Yaghi como reconocimiento de sus importantes avances en el descubrimiento de estos enrejados metalorgánicos.

Sin embargo, ¿qué son estos enrejados y cuál es su utilidad?

Los MOFs son materiales en los que iones o cúmulos metálicos están enlazados mediante moléculas orgánicas, formando un patrón regular y repetitivo que da lugar a una red tridimensional.  Una característica clave de estos materiales es que, en el espacio entre los nodos metálicos y las moléculas orgánicas a las que se unen se generan grandes cavidades, lo que hace que el material sea altamente poroso. Yaghi mencionó que un gramo de MOF tiene un área superficial interna aproximadamente igual a la de dos campos de fútbol americano. 

Los MOFs tienen propiedades únicas, como su gran área superficial, su baja densidad, alta flexibilidad y la versatilidad en la función de sus poros, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones. Por ejemplo, debido a su alta porosidad, se ha estudiado su capacidad de almacenamiento de hidrógeno y metano. En el MOF-177 se reportó un almacenamiento de hidrógeno de hasta un 7.5 % en peso. También se han empleado para la captura de CO2 y la adsorción de nitrógeno.

El uso de los MOF se ha extendido al ámbito biomédico, principalmente para el transporte de fármacos. Sus ventajas, en comparación con otros materiales, son la facilidad con la que se puede modificar el tamaño de los poros, su alta capacidad de almacenamiento de fármacos y que la superficie de los poros se puede funcionalizar. Por ejemplo, se ha demostrado que los MOF MIL-53(Fe) y MIL-53(Cr) pueden almacenar hasta 17.4% ibuprofeno con un tiempo de liberación prolongado de 21 días  

También se ha investigado su aplicación como electrodos en baterías de iones de litio (LIBs). Las LIBs comerciales están hechas principalmente con ánodos de grafito, los cuales tienen una capacidad máxima de 372 mAh/g. En comparación, el material compuesto formado por partículas de magnetita (Fe3O4) encapsuladas por el MOF HKUST-1 mostró una capacidad de 1001.5 mAh/g, un valor superior al de la magnetita pura (696 mAh/g) y al del grafito. 

Los MOFs han mostrado propiedades excepcionales y una notable versatilidad, evidenciada por su aplicación en diversos campos y dispositivos tecnológicos. Los numerosos avances en su investigación y desarrollo fueron, sin duda, motivo del Premio Nobel de Química de este año.

Para más información: Chemistry Nobel Prize

Constante dieléctrica y conductividad de agua confinada en un plano

El agua es esencial para la vida y sus propiedades han sido ampliamente estudiadas, aunque aún se conoce poco sobre su comportamiento eléctrico en condiciones interfaciales o de confinamiento extremo. En este estado, el agua pierde la estructura propia del volumen y adquiere una disposición laminar, lo que modifica su conductividad eléctrica, polarizabilidad y las fuerzas intermoleculares que determinan numerosos procesos físicos y químicos.

En este trabajo se empleó microscopía de barrido dieléctrica (Scanning Dielectric Microscopy, SDM), basada en un microscopio de fuerza atómica (AFM) adecuado para detectar variaciones de capacitancia del agua confinada en canales formados en la superficie del nitruro de boro hexagonal (hBN). Esta técnica permite medir las propiedades dieléctricas en el plano del agua confinada entre dos capas de hBN, una plana y otra con canales, separadas hasta por 1 nm.

Cuando el confinamiento excede algunos nanómetros, la constante dieléctrica y la conductividad del agua se aproximan a los valores volumétricos y aumenta la conducción por protones. Al reducir el espesor de la capa de agua, la conductividad crece notablemente y, cuando este espesor alcanza unas pocas moléculas, la constante dieléctrica en el plano alcanza valores del orden de 1000, similares a los de materiales ferroeléctricos, mientras que la conductividad llega a varios S m−1, como en los líquidos superiónicos. Comprender el comportamiento del agua nanoconfinada es esencial para explicar fenómenos en interfaces acuosas y poros nanométricos.

El agua volumétrica presenta una constante dieléctrica alta (εbulk ≈ 80) y una conductividad de aproximadamente σbulk ≈ 10−5 S m−1, comparables a las de un semiconductor de banda ancha. Esto explica su capacidad para formar puentes de hidrógeno y disolver más sustancias que cualquier otro líquido, generando un fuerte apantallamiento dieléctrico, determinante en los procesos bioquímicos de la vida.

Recientemente se demostró que el agua confinada entre monocapas no es polarizable en dirección perpendicular (ε⊥ ≈ 2), en concordancia con la teoría, aunque la constante paralela (ε//) no se conoce y todavía no se entiende teóricamente. 

Este trabajo muestra que, bajo confinamiento molecular extremo, las propiedades eléctricas del agua confinada en 2D cambian drásticamente, aportando nueva comprensión sobre la doble capa eléctrica y el fuerte confinamiento, abriendo posibilidades para estudiar otras sustancias.

Mayor información en: Nature

Video de gato de Schroedinger hecho con átomos

 

La computación cuántica promete resolver problemas que resultan imposibles para las computadoras clásicas. En lugar de bits que solo pueden valer 0 o 1, las máquinas cuánticas usan cúbits, capaces de estar en varios estados a la vez. Esto multiplica la capacidad de cálculo, pero también plantea enormes retos: los cúbits son inestables y propensos a errores.

Entre las distintas plataformas en desarrollo, los arreglos de átomos de Rydberg destacan por su potencial. En ellos, átomos individuales son atrapados con haces de luz llamados pinzas ópticas.

 Esta técnica ofrece gran precisión, permite conectar átomos de manera flexible y se puede ampliar a escalas muy grandes. Gracias a esto, ya se han demostrado pasos clave hacia la computación cuántica, como la corrección de errores y la simulación de fenómenos físicos complejos.

Un obstáculo importante es que, al cargar los átomos en un sistema, muchas posiciones del arreglo quedan vacías. Para aprovechar todo el sistema se necesita reorganizarlos y formar un arreglo sin defectos. Los métodos tradicionales mueven los átomos uno por uno, lo cual resulta demasiado lento para miles de partículas.

La solución presentada por el equipo de investigación citado, combina inteligencia artificial (IA) con un modulador espacial de luz (SLM). Este dispositivo puede modificar un haz láser en tiempo real y, guiado por la IA, desplazar en paralelo a todos los átomos hacia sus posiciones finales. El proceso se divide en pasos muy pequeños para evitar pérdidas y errores.

El procedimiento funciona así: primero, se cargan átomos de rubidio de manera aleatoria. Una cámara registra la distribución y una red neuronal identifica qué sitios quedaron ocupados. Después, la IA calcula la ruta óptima para mover cada átomo. Finalmente, el SLM genera hologramas de luz que guían el movimiento simultáneo de todos los átomos hasta formar el arreglo deseado.

Con esta técnica se logró construir el arreglo libre de defectos más grande reportado hasta ahora: 2024 átomos perfectamente ordenados. Para demostrar el nuevo sistema de reordenamiento rápido de miles de átomos, los investigadores crearon una animación con el famoso gato de Schrödinger. 

Este avance nos acerca a la posibilidad de contar con computadoras cuánticas más poderosas y, al mismo tiempo, abre la puerta a simulaciones de sistemas físicos imposibles de estudiar con las tecnologías actuales.

Para mayor información y la animación del gato de Schroedinger, consultar: Phys. Rev. Letters