Un equipo de investigación codirigido por el profesor Zhang Shuang, jefe interino del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong, y el profesor Dai Qing del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de China ha propuesto una solución a un problema común en el campo de la nanofotónica: el estudio de la luz a escalas extremadamente pequeñas. Los resultados de su investigación se publicaron recientemente en la famosa revista académica "Nature-Materials" y propusieron un método sintético de ondas de frecuencia complejas (CFW) para resolver el problema de la pérdida óptica en la propagación de polarones.
Estos hallazgos brindan soluciones prácticas, como el uso de dispositivos basados en luz más eficientes en dispositivos como chips de computadora y dispositivos de almacenamiento de datos para permitir un almacenamiento y procesamiento de datos más rápido y compacto, y mejorar la precisión de los sensores, la tecnología de imágenes y los sistemas de seguridad.
Los polaritones de plasmón de superficie y los polaritones de fonón tienen las ventajas de un almacenamiento de energía eficiente, una mejora del campo local y una alta sensibilidad, gracias a su capacidad para confinar la luz a pequeñas escalas. Sin embargo, sus aplicaciones prácticas se ven obstaculizadas por el problema de las pérdidas óhmicas, que provocan la disipación de energía al interactuar con materiales naturales.
Esta limitación ha obstaculizado el desarrollo de la nanofotónica para circuitos nanofotónicos, de detección y de ultraimagen durante las últimas tres décadas. Superar las pérdidas óhmicas mejorará enormemente el rendimiento del dispositivo, lo que permitirá el desarrollo de tecnologías de detección, imágenes de alta resolución y circuitos nanofotónicos avanzados.
El profesor Zhang Shuang, autor correspondiente del artículo, explicó el enfoque de la investigación: "Para resolver el problema de la pérdida óptica en aplicaciones clave, propusimos una solución práctica. Al utilizar una novedosa excitación de ondas complejas sintéticas, podemos lograr una ganancia virtual para compensar la pérdida intrínseca del sistema de polaritones. Para verificar este método, lo aplicamos al sistema de propagación de fonones de polaritones y observamos una mejora significativa en la propagación de polaritones".
"Demostramos este método realizando experimentos en el rango de frecuencia óptica utilizando materiales de polaritones de fonones como hidruro de boro y óxido de molibdeno. Como era de esperar, obtuvimos distancias de propagación casi sin pérdidas, lo que es consistente con las predicciones teóricas", añadió el Dr. Guan Fuxin, primer autor del artículo y becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong.
Enfoque multifrecuencia para superar la pérdida óptica.
En este estudio, el equipo de investigación desarrolló un novedoso método multifrecuencia para resolver el problema de la pérdida de energía en la propagación de polarones. Utilizaron un tipo especial de onda llamada "onda de frecuencia compleja" para lograr una ganancia virtual y compensar las pérdidas en el sistema óptico. Las ondas ordinarias mantienen una amplitud o intensidad constante a lo largo del tiempo, mientras que las ondas de frecuencia complejas exhiben tanto oscilación como amplificación. Esta característica permite una representación más completa del comportamiento de las olas y compensa las pérdidas de energía.
Aunque la frecuencia suele tratarse como un número real, también tiene una parte imaginaria. Esta parte imaginaria nos dice cómo la onda se vuelve más fuerte o más débil con el tiempo. Las ondas de frecuencia compleja con partes imaginarias negativas (positivas) decaen (amplifican) con el tiempo. Sin embargo, realizar mediciones directamente bajo excitación de ondas de frecuencia complejas en óptica es un desafío porque requiere mediciones de sincronización complejas. Para superar esta dificultad, los investigadores emplearon la herramienta matemática de la transformada de Fourier, que descompone una onda de frecuencia compleja (CFW) truncada en componentes con frecuencias independientes.
Al igual que cuando cocinas y necesitas un ingrediente específico que es difícil de encontrar, los investigadores siguieron una línea de pensamiento similar. Descomponen ondas de frecuencia complejas en ingredientes más simples, como usar ingredientes sustitutos en una receta. Cada componente representa un aspecto diferente de la onda de frecuencia. Es como preparar un plato delicioso utilizando ingredientes sustitutos para conseguir el sabor deseado. Midiendo estos componentes a diferentes frecuencias y combinando los datos, reconstruyeron el comportamiento del sistema bajo exposición a ondas de frecuencia compleja. Esto les ayuda a comprender y compensar las pérdidas de energía. Este enfoque simplifica enormemente el uso práctico de CFW en diferentes aplicaciones, incluida la propagación de polaritones y la hiperimagen. Al tomar mediciones ópticas a diferentes frecuencias reales a intervalos fijos, se puede construir la respuesta óptica del sistema a frecuencias complejas. Esto se puede lograr combinando matemáticamente las respuestas ópticas obtenidas a diferentes frecuencias reales.
Otro autor correspondiente del artículo, el profesor Dai Qing del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología, señaló que este trabajo proporciona una solución práctica al problema de pérdida de luz de larga data en la nanofotónica. Hizo hincapié en la importancia del enfoque de frecuencia compleja sintética y señaló que podría aplicarse fácilmente a otras aplicaciones, como la detección molecular y los circuitos integrados nanofotónicos. Además enfatizó: "Este método es notable y universalmente aplicable porque también puede usarse para resolver problemas de pérdida en otros sistemas de ondas, incluidas ondas acústicas, ondas elásticas y ondas cuánticas, mejorando así la calidad de las imágenes a niveles sin precedentes".
Fuente compilada: ScitechDaily