En un gran avance en la nanofotónica cuántica, un equipo de físicos europeos e israelíes introdujo un nuevo tipo de cavidad polarizadora y redefinió los límites del confinamiento de la luz. El trabajo innovador, detallado en un estudio publicado hoy (6 de febrero) en la revista Nature Materials, demuestra un enfoque poco convencional para el confinamiento de fotones que supera las limitaciones tradicionales de la nanofotónica.
Los físicos han buscado durante mucho tiempo formas de forzar que los fotones entren en cavidades cada vez más pequeñas. La escala de longitud natural de un fotón es la longitud de onda, y cuando un fotón es forzado a entrar en una cavidad que es mucho más pequeña que la longitud de onda, en realidad se vuelve más "concentrado".
Esta concentración mejora las interacciones con los electrones, amplificando los procesos cuánticos dentro de la cavidad. Sin embargo, a pesar del gran éxito en confinar la luz a volúmenes profundos por debajo de la longitud de onda, los efectos de disipación (absorción de la luz) siguen siendo un obstáculo importante.
Los fotones en las nanocavidades se absorben muy rápidamente, mucho más rápido que la longitud de onda, y esta disipación limita la idoneidad de las nanocavidades para algunas de las aplicaciones cuánticas más interesantes.
Diseño innovador de nanocavidades
El grupo de investigación del profesor Frank Koppens del ICFO en Barcelona, España, ha resuelto este enigma creando nanocavidades con volúmenes de sublongitud de onda incomparables y vidas útiles prolongadas.
Estas nanocavidades tienen menos de 100x100 nm² de área y solo 3 nm de espesor, pero pueden confinar la luz durante un período de tiempo más largo. La clave está en el uso de fonones-polarones hiperbólicos, excitaciones electromagnéticas únicas que se producen en materiales bidimensionales que forman cavidades.
A diferencia de estudios de cavidades anteriores basados en polaritones de fonones, este estudio utiliza un nuevo mecanismo de restricción indirecta. Las nanocavidades se crean perforando agujeros a nanoescala en el sustrato de oro utilizando la precisión extremadamente alta (2-3 nanómetros) de un microscopio de haz de iones enfocado en helio.
Después de perforar el agujero, el material bidimensional nitruro de boro hexagonal (hBN) se transfiere encima. El nitruro de boro hexagonal soporta excitones electromagnéticos llamados polaritones de fotones hiperbólicos, que son similares a la luz ordinaria pero pueden limitarse a volúmenes extremadamente pequeños.
Cuando los polarones pasan sobre el borde de un metal, el metal los refleja fuertemente y quedan atrapados. Por lo tanto, este método evita la formación directa de hidruro de boro y mantiene su masa original, lo que hace que los fotones de la cavidad estén muy concentrados y sean de larga vida.
Éxito experimental inesperado
El descubrimiento fue el resultado de una observación casual mientras se utilizaba microscopía óptica de campo cercano para escanear estructuras de materiales bidimensionales en otro proyecto. La microscopía de campo cercano puede excitar y medir polarones en el rango del infrarrojo medio del espectro, y los investigadores notaron que estos polarones se reflejaban inusualmente fuertemente en los bordes del metal. Esta observación inesperada dio lugar a más investigaciones, que condujeron al descubrimiento de un mecanismo de confinamiento único y su relación con la formación de nanorrelés.
Sin embargo, después de realizar y medir las cavidades, el equipo descubrió una gran sorpresa. El primer autor, el Dr. Hanan Herzig Sheinfux, del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan, dijo: "Las mediciones experimentales suelen ser peores de lo que predice la teoría, pero en este caso descubrimos que los resultados experimentales excedieron las predicciones teóricas optimistas y simplificadas. Este éxito inesperado abre la puerta a nuevas aplicaciones y avances en la fotónica cuántica, superando los límites de lo que pensábamos que era posible".
El Dr. Herzig Sheinfux llevó a cabo esta investigación junto con el profesor Koppens mientras trabajaba como becario postdoctoral en el ICFO. Planea utilizar estas cavidades para observar efectos cuánticos que antes se consideraban imposibles y para investigar más a fondo la fascinante física contraintuitiva del comportamiento hiperbólico de los polaritones de los fonones.
Fuente compilada: ScitechDaily