Thermo-plasmonics : controlling and probing temperature on the nanometer scale
Authors:   , Donner Jon Sean 
Published: October 2023

In the last decades, optics has become central in many applications in modern society. Nano-optics, which studies the behavior of light at the nanoscale, holds promise to do the same. However, when using traditional optical elements such as mirrors and lenses to control light propagation, there is a fundamental limit on the localization of the field which could a priori impinge on the ability to use optics at the nanometer scale. One way to improve the confinement of electromagnetic waves is to couple light with materials that have high dielectric permittivity. In this context, a particular interest has been devoted to metallic nanostructures made of gold, silver or aluminum. In this case the interaction can lead to a coherent collective electron oscillation and is known as a Surface Plasmon (SP). Such enhanced interaction results in both strong absorption and scattering of light.
An inherent effect in such systems is the unavoidable damping of the SP. This causes internal Joule dissipation, which results in heat generation. Although this phenomenon is considered to be a drawback in many plasmonic applications, recent studies have shown the promise of nanoscale heat generation for both physical and biological application. This strategy is at the basis of a rapidly growing field called Thermo-Plasmonics. Controlling, exploiting and monitoring plasmonic heating is the topic of my PhD.
In the first chapter of the thesis, the Joule effect induced in plasmonic nanoparticles is described.
Thereafter, this concept is used to develop both physical and biological applications which rely on the ability to control nanoscale temperature in order to perturb the surrounding environment.
A physical application consisting of a fast tunable Photothermal Lens based on plasmonic heating is described in the third chapter. To this end, we develop a model to predict the lens behavior. Next, experimental characterization of a fabricated thermal lens is performed. Finally, we show that such a system could be used for fast and accurate focal plane tunability as well as for adaptive optics applications.
In the fourth chapter I describe another thermo-plasmonic based application which relies on the use of nanoscale heat generation to modify and even control the fluid flow in a micro-fluidic system. To do so, we numerically calculate the fluid convection that is induced by plasmonic heating at the micro and nanoscale. Next, an experimental implementation of a microfluidic pump based on plasmonic heating is presented.
The applications mentioned above rely on the efficient opto-thermal conversion in gold nano particles to generate local heat sources. One advantage of gold is that it is nontoxic, allowing the application of thermo-plasmonics to bio systems. This is a pertinent line of investigation, because temperature is a basic parameter which influences many cellular biological processes. Nanotechnology is not only providing new ways to generate point like heat sources but also to accurately monitor the resulting temperature maps.
Within this context, we developed a tool that permits the measurement of temperature at the nanoscale in biological systems. This is done by monitoring the fluorescence polarization anisotropy (FPA) of a fluorescent molecule. Specifically, in the fifth chapter I present the use of Green Fluorescent Protein (GFP) as a thermal nanoprobe suited for in vitro cellular temperature mapping. This is performed by monitoring the FPA of the GFP. We apply this method to measure the temperature generated by photothermal heating of gold nanorods inside and outside cells. Consequently, we extend this technique and perform the first in vivo intracellular thermal imaging. In the sixth chapter we demonstrate this method with GFP expressing neurons of a worm. In both cases we show that the method enables diffraction limited spatial resolution, good temperature accuracy and fast readout together with high bio-compatibility.
En las últimas décadas, la óptica ha sido esencial en muchas aplicaciones en la sociedad moderna. La nano-óptica, que estudia el comportamiento de la luz a escala nanométrica, promete tener el mismo impacto. Sin embargo, cuando se utilizan elementos ópticos tradicionales como espejos y lentes para controlar la propagación de la luz, existe un límite fundamental en la localización del campo electromagnético que puede a priori impedir la posibilidad de utilizar la óptica en la escala nanométrica. Una manera de mejorar el confinamiento de las ondas electromagnéticas es acoplándolas con materiales que tienen una alta permitividad dieléctrica. En este contexto, se ha dedicado un interés particular en las nanoestructuras metálicas compuestas de oro. En este caso, la interacción puede llevar a una oscilación coherente y colectiva de los electrones del metal, la cual es conocida como el Plasmón de Superficie (PS). Esta interacción conlleva a un aumento tanto de la absorción como la dispersión de la luz.
Un efecto inherente en dichos sistemas es la inevitable amortiguación del PS. Esto causa la disipación interna por efecto Joule, la cual resulta en la generación de calor. A pesar que este fenómeno es considerado como una desventaja en muchas aplicaciones en plasmónica, estudios recientes han demostrado la promesa de la generación de calor en la nanoescala. Esta estrategia está en la base de un campo llamado Termo-Plasmónica. Controlar, explotar y monitorizar el calentamiento plasmónico es el tema de mi tesis doctoral.
En el primer capítulo de la tesis se describe el efecto Joule inducido en nanopartículas plasmónicas. Después, este concepto es utilizado para desarrollar aplicaciones físicas y biológicas que dependen de la habilidad de controlar la temperatura en la nanoescala para perturbar el ambiente local.
Una aplicación física consistiendo de un Lente Fototérmico basado en el calentamiento plasmónico y con afinación rápida está descrito en el tercer capítulo. Para este fin, desarrollamos un modelo para predecir el comportamiento del lente. A continuación, se realizó la caracterización experimental de un lente termal. Finalmente, mostramos que dicho sistema puede ser utilizado para la variación local rápida y precisa del plano focal.
En el cuarto capítulo describo otra aplicación que utilizala generación de calor a la nanoescala para modificar e incluso controlar el flujo de un fluido en un sistema microfluidico. Para ello, hemos calculado numéricamente la convección de un fluido que es inducida por el calentamiento plasmónico en la micro y nanoescala. Luego, se presenta una implementación experimental de una bomba microfluidica basada en el calentamiento plasmónico.
Las aplicaciones mencionadas anteriormente dependen de la conversión opto-térmica eficiente en nanopartículas de oro para generar fuentes de calor locales. Una ventaja del oro es que no es tóxico, permitiendo así aplicaciones de la termo-plasmónica en sistemas biológicos.
Con esto en mente, hemos desarrollado una herramienta que permite medir la temperatura en la nanoescala en sistemas biológicos. Esto se lleva a cabo al monitorizar la anisotropía de la polarización de la fluorescencia (APF) de una molécula fluorescente. Específicamente, en el quinto capítulo mapeamos la temperatura celular in-vitro monitorizando el APF de la Proteína Fluorescente Verde (GFP). Aplicamos este método para medir la temperatura generada por el calentamiento fototérmico de nanobarras de oro dentro y fuera de células. Consecuentemente, extendemos esta técnica y realizamos los primeros mapas de temperatura intracelular in vivo. En el sexto capítulo demostramos este método en gusanos que contienen neuronas que expresan la GFP. En ambos casos demostramos que el método permite resolución espacial en el límite de difracción, buena precisión de temperatura y una lectura rápida, todo esto junto con una alta biocompatibilidad.