La comunicación a través de la luz ha sido un desafío constante para los ingenieros y científicos. A diferencia de los electrones, que son más predecibles en su comportamiento dentro de circuitos, los fotones, las partículas que constituyen la luz, son frágiles y propensos a dispersarse, fusionarse o incluso desaparecer antes de alcanzar su destino. Esta naturaleza volátil complica la tarea de guiar la luz a través de fibras ópticas o circuitos fotónicos, creando verdaderos laberintos ópticos.
En lugar de intentar perfeccionar cada imperfección de estos laberintos, un equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania ha optado por una solución innovadora: crear un «túnel secreto» para los fotones que les permita viajar de un punto a otro sin obstáculos. Este enfoque, publicado en la revista Nature Nanotechnology, ha sido desarrollado por Bo Zhen y su equipo, quienes han propuesto una nueva forma de manipular la luz dentro de cristales fotónicos.
Un avance en la manipulación de la luz
El proyecto comenzó en 2018 con el postdoctorado Li He, quien se unió al laboratorio de Zhen. Juntos, propusieron usar luz polarizada en un cristal fotónico, un semiconductor con una estructura regular de agujeros, para crear un estado topológico estable. Este nuevo estado permite que la luz se desplace de manera unidireccional a lo largo de los bordes del cristal, creando un camino que se mantiene firme incluso ante pequeñas imperfecciones.
Los investigadores demostraron que, mediante la polarización lineal, el cristal se mantenía «sin huecos», mientras que al aplicar polarización circular, se abría un «hueco» en la estructura del material, evidenciado por un número de Chern de uno (C=1). Este número es crucial, ya que indica la existencia de un canal unidireccional abierto para el paso de la luz.
El camino hacia este avance no estuvo exento de dificultades. La pandemia de COVID-19 afectó la obtención de los láseres ultrarrápidos necesarios para sus experimentos, lo que llevó a retrasos y complicaciones logísticas. Sin embargo, con la colaboración de la Universidad de California en Santa Bárbara, el equipo logró estabilizar su dispositivo en 2022.
La investigación no solo abre la puerta a nuevas posibilidades en las telecomunicaciones y la tecnología cuántica, sino que también ofrece un nuevo paradigma para el diseño de dispositivos ópticos. A diferencia de los sistemas electrónicos, los sistemas fotónicos permiten interacciones más complejas, como la fusión y división de fotones, lo que podría revolucionar la forma en que desarrollamos tecnologías en el futuro.
Con la mirada puesta en el futuro, el equipo de Zhen ya está explorando la posibilidad de aplicar este concepto a cristales tridimensionales y frecuencias de microondas, donde los componentes son más grandes y fáciles de manejar. La meta es proteger la información cuántica y crear nuevas clases de dispositivos ópticos, utilizando las propiedades únicas de la luz y su comportamiento en estos entornos innovadores.
