Un equipo de investigadores de AMOLF, TU Delft y la Universidad de Cornell ha logrado concentrar luz en un volumen tan pequeño como la propia longitud de onda, un avance significativo para diversas aplicaciones tecnológicas. Este nuevo método, que utiliza propiedades especiales de un cristal fotónico, ofrece ventajas sobre otras técnicas existentes, al funcionar en un espectro más amplio de longitudes de onda. Los hallazgos fueron publicados el 18 de abril en la revista Science Advances.
La capacidad de enfocar luz es fundamental en chips fotónicos, utilizados en campos que van desde la comunicación cuántica hasta sensores ópticos y láseres en chip. Según Ewold Verhagen, líder del grupo de AMOLF, hasta ahora existían dos estrategias generales para concentrar luz: mediante cavidades ópticas o guías de onda que actúan como embudos. La primera opción se basa en resonancias, limitando el enfoque a longitudes de onda específicas; la segunda, más parecida a una lente convencional, requiere dispositivos mucho mayores que la longitud de onda utilizada.
Nueva metodología basada en topología
Un concepto teórico desarrollado por investigadores de Cornell, liderado por Gennady Shvets, ha dado lugar a este nuevo método, que el candidato a doctorado Daniel Muis y sus colegas han demostrado experimentalmente por primera vez. Un aspecto clave de este método es la topología del sistema físico. Muis explica que se utilizan cristales fotónicos: láminas de silicio con un patrón regular de pequeños agujeros que, en principio, impiden la propagación de la luz. Sin embargo, al colocar dos de estos cristales con patrones espejados uno al lado del otro, se crea una guía de onda en su frontera, permitiendo que la luz se desplace únicamente a lo largo de esta línea.
Lo innovador de este diseño radica en que la conducción de luz está «protegida topológicamente», lo que significa que la dispersión o reflexión de la luz por imperfecciones en el cristal se suprime. Los investigadores se preguntaron qué ocurriría si se interrumpía abruptamente dicha guía de onda con una «pared» de material que la luz no puede atravesar. Al no tener un lugar a donde ir y con las reflexiones suprimidas, la luz se acumula frente a esa pared. Aunque la luz eventualmente rebota de nuevo a través de la guía de onda, lo hace con un retraso, resultando en una amplificación local del campo luminoso.
Los grupos de Verhagen y Kobus Kuipers, de TU Delft, decidieron comprobar estas predicciones en un experimento conjunto. Las guías de onda topológicas fueron fabricadas en un chip de silicio en AMOLF. Para visualizar la acumulación de luz en el cristal fotónico, Muis utilizó un microscopio único en TU Delft que escanea campos luminosos a través de una aguja ultra-fina sobre la superficie del cristal. Este microscopio puede localizar la intensidad de luz en una escala aproximadamente 1,000 veces más pequeña que el grosor de un cabello humano.
Los resultados fueron contundentes: se observó una clara amplificación del campo de luz al final de la guía de onda topológica, fenómeno que ocurrió únicamente cuando la «pared» que terminaba la guía se colocaba en un ángulo específico, tal como habían predicho sus colegas de Cornell. Este hallazgo demuestra que la amplificación de luz está relacionada con la supresión topológica de las reflexiones.
La técnica permite concentrar la luz en un volumen muy reducido, del orden de la longitud de onda misma, y su principal ventaja radica en que es inherentemente de banda ancha, funcionando con múltiples longitudes de onda. La publicación en Science Advances, con contribuciones equitativas de Muis y su colega de Cornell, Yandong Li, puede ser considerada un punto de partida para futuras investigaciones o aplicaciones de esta forma de amplificación luminosa en chips. El mecanismo demostrado también debería aplicarse a cualquier otro tipo de onda en un medio estructurado, incluyendo ondas sonoras o incluso electrones en ciertos cristales.
Como siguiente paso, Muis sugiere utilizar un láser pulsado para estudiar el intervalo de tiempo durante el cual la luz continúa acumulándose, con el fin de maximizar la amplificación del campo y potencialmente aplicar este conocimiento en la manipulación de luz en chips ópticos.
