Descubren luz direccional en la nanoescala en un material bidimensional

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El desarrollo de futuras tecnologías de la información y la comunicación depende de la manipulación de no sólo electrones, sino también de luz a escala nanométrica.

Confinar la luz en tamaños tan pequeños ha sido un importante desafío en el campo de la nanofotónica durante años.

Una de las estrategias más exitosas consiste en el uso de polaritones, ondas electromagnéticas que resultan del acoplamiento entre luz y materia, (“nanoluz”).

Recientemente, se ha logrado un alto confinamiento de la luz mediante la excitación de polaritones a frecuencias en el infrarrojo en materiales bidimensionales como el grafeno y el nitruro de boro hexagonal.

Sin embargo, aunque se han descubierto propiedades polaritónicas extraordinarias en estos materiales, como la posibilidad de modificar eléctricamente las propiedades de polaritones en grafeno, siempre se ha observado que esta nanoluz se propaga a lo largo de todas las direcciones de la superficie del material disipando energía bastante rápido, lo que limita enormemente su potencial para aplicaciones.

En los últimos años, se ha propuesto teóricamente que los polaritones pueden propagarse únicamente a lo largo de direcciones específicas en la superficie de materiales bidimensionales, en los que las propiedades electrónicas y estructurales varían con la dirección.

En este caso, la velocidad y la longitud de onda de los polaritones dependen en gran medida de la dirección en la que se propagan.

Esta propiedad puede conducir a nanoluz altamente direccional en forma de rayos confinados en la nanoescala, que podrían encontrar futuras aplicaciones en los campos de la detección, el control de calor o incluso la computación cuántica.

Ahora, un equipo internacional liderado por Qiaoliang Bao (profesor asociado de la Universidad Monash en Melbourne, Australia), Pablo Alonso-González (investigador distinguido en la Universidad de Oviedo, España) y Rainer Hillenbrand (profesor de Investigación Ikerbasque del CIC nanoGUNE en San Sebastián, España) ha descubierto polaritones ultra confinados a frecuencias en el infrarrojo que se propagan sólo a lo largo de direcciones específicas en un material bidimensional natural, el trióxido de molibdeno (alfa-MoO₃).

“Nuestro hallazgo augura que el alfa-MoO₃ se convertirá en un excepcional material para el desarrollo de la nanofotónica en el infrarrojo”, dice Qiaoliang Bao.

“Fue increíble descubrir los polaritones en alfa-MoO₃ viajando sólo en ciertas direcciones”, dice Weiliang Ma, estudiante de posgrado y co-primer autor del artículo.
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“Hasta ahora, la propagación direccional de polaritones se había observado solamente en materiales estructurados artificialmente, donde el confinamiento último del polariton es mucho más difícil de lograr que en los materiales naturales”, agrega el coautor, Shaojuan Li.

Además de su propagación direccional, el estudio también reveló que los polaritones en alfa-MoO₃ pueden tener un tiempo de vida extraordinariamente largo.

“La luz en alfa-MoO₃ parece tomar una autopista en la nanoescala; viaja a lo largo de ciertas direcciones casi sin obstáculos”, dice Pablo Alonso-González, co-primer autor del artículo.

“Nuestras mediciones muestran que los polaritones en alfa-MoO₃ viven hasta 20 picosegundos, es decir, 40 veces más que el tiempo de vida de los polaritones en grafeno de alta calidad a temperatura ambiente”, añade.

Debido a que la longitud de onda de los polaritones (nanoluz) es mucho más pequeña que la de la luz en el espacio libre, las y los investigadores tuvieron que usar para sus medidas un microscopio especial, llamado microscopio óptico de campo cercano.

“El establecimiento de esta técnica coincide perfectamente con el surgimiento de nuevos materiales bidimensionales, lo que ha permitido obtener imágenes de una variedad de polaritones únicos e incluso inesperados durante los últimos años”, agrega Rainer Hillenbrand.

Para una mejor comprensión de los resultados experimentales, desarrollaron una teoría que les permitió extraer la relación entre el momento y la energía de los polaritones en alfa-MoO₃.

“Nos hemos dado cuenta de que la nanoluz en alfa-MoO₃ puede comportarse de manera “hiperbólica”, lo que hace que la energía y los frentes de onda se propaguen en diferentes direcciones a lo largo de la superficie, lo que puede resultar en efectos ópticos exóticos (como, por ejemplo, refracción negativa o el efecto de “superlente”)”, dice Alexey Nikitin, investigador asociado Ikerbasque en el Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC), quien desarrolló la teoría en colaboración con Javier Taboada-Gutiérrez y Javier Martín-Sánchez, estudiante de doctorado e investigador postdoctoral Clarín, respectivamente, en el grupo de Pablo Alonso-González.

Los hallazgos experimentales reportados en este trabajo representan sólo el comienzo de una serie de estudios centrados en el control y la manipulación direccional de la luz en la nanoescala, que podrían impulsar el desarrollo de dispositivos nanofotónicos más eficientes para la detección óptica, el procesado de señales y el control del calor en la nanoescala.

Fuente: Noticias de la Ciencia