Atrapan luz en una estructura más delgada que su propia longitud de onda

Unos científicos han ideado y fabricado una estructura que atrapa luz infrarroja en una capa de tan solo 40 nanómetros de espesor, miles de veces más delgada que una hoja de papel e incluso más delgada que la longitud de onda de esa luz.

A medida que la electrónica moderna se acerca a los límites de sus capacidades impuestos por la física, crece el interés por hacer entrar en escena a la fotónica. En vez de manipular electrones, relativamente pesados ​​y lentos, es factible usar fotones, más rápidos y ligeros, para codificar información. Esto permitirá crear dispositivos que no solo trabajen más deprisa que los que se utilizan actualmente, sino que también sean más pequeños. Solo hay un problema: la naturaleza de la luz no es solo la de una partícula, sino también la de una onda. Y toda onda tiene una longitud de onda. Para la luz visible, la longitud de onda (es decir, la distancia entre máximos sucesivos) es de varios cientos de nanómetros. Para la luz infrarroja, es de un micrómetro o más. ¿Será esto, entonces, un obstáculo para la miniaturización de los sistemas fotónicos? ¿Es posible atrapar la luz dentro de una estructura más pequeña que esos pocos cientos de nanómetros?

La respuesta a la primera pregunta es no. La respuesta a la segunda es sí. Un equipo encabezado por Emilia Pruszynska-Karbownik, de la Universidad de Varsovia en Polonia, ha encontrado una manera de hacerlo.

Para crear la estructura que atrapa luz infrarroja en una capa de solo 40 nanómetros de espesor, Pruszynska-Karbownik y sus colegas fabricaron una red de difracción exótica, de sublongitud de onda, a base de un material especial: diseleniuro de molibdeno (MoSe2). Esta red de difracción de sublongitud de onda consiste en una serie de tiras paralelas de material que doblan y dividen la luz de un modo parecido a como lo hace un prisma. Si acercamos estas tiras a una distancia más corta que la longitud de onda, la rejilla puede actuar como un espejo y además, también puede confinar la luz dentro de su pequeño volumen.

Las redes de difracción de sublongitud de onda anteriores fueron fabricadas a partir de materiales como el silicio, el arseniuro de galio o el nitruro de galio y tenían grosores del orden de varios cientos de nanómetros. Si fueran más finos, la luz ya no quedaría confinada de forma eficaz. Por lo tanto, en este caso se decidió utilizar un material diferente con un índice de refracción mucho mayor que los que tienen los demás materiales utilizados anteriormente en fotónica. Dicho de otro modo: la luz viaja por ese material a menor velocidad que en otras sustancias.

El diseleniuro de molibdeno demostró ser el material ideal para este propósito.

Mientras que la luz que entra en el vidrio desde el aire se ralentiza aproximadamente 1,5 veces, y aproximadamente 3,5 veces al entrar en el silicio o en el arseniuro de galio, este valor es de 4,5 para el MoSe₂. Esto ha permitido reducir el grosor de la rejilla a unas pocas decenas de nanómetros.

Recreación artística de la red de difracción de sublongitud de onda hecha de diseleniuro de molibdeno. Las esferas rojas representan átomos de molibdeno y las azules, átomos de selenio. La luz queda atrapada dentro de la esfera roja de difracción, lo que potencia la generación de luz a una frecuencia tres veces superior a la original. (Imagen: E. Pruszynska-Karbownik, Faculty of Physics, University of Warsaw)

El diseleniuro de molibdeno es un material prometedor no solo por sus capacidades de refracción de la luz. Es un material laminar, al igual que el grafeno. Sin embargo, a diferencia del grafeno, es un semiconductor. También presenta las llamadas propiedades no lineales, incluida la generación de luz al triple de la frecuencia: la generación del tercer armónico. Esto significa que parte de la luz que lo atraviesa cambia su frecuencia y, por lo tanto, su longitud de onda; por ejemplo, la luz infrarroja se vuelve visible y concretamente de color azul. Esto sucede porque tres fotones infrarrojos se “combinan” en uno, cuya longitud de onda corresponde al color azul. Tal como han constatado Pruszynska-Karbownik y sus colegas, debido a que la luz infrarroja está fuertemente ceñida en la red de difracción de MoSe2, este efecto no lineal es más de 1500 veces más fuerte que si el fenómeno ocurriera en una capa de MoSe2 no configurada como red de difracción.

Pruszynska-Karbownik y sus colegas exponen los detalles técnicos de su innovación en la revista académica ACS Nano, bajo el título “Optical Bound States in the Continuum in Subwavelength Gratings Made of an Epitaxial van der Waals Material”. (Fuente: NCYT de Amazings)