El Premio Gefes a la mejor tesis experimental XII edición ha sido concedido a Gonzalo Álvarez Pérez por su tesis «Fundamentos de nano-óptica en materiales de van der Waals hiperbólicos» dirigida por Alexey Nikitin y Pablo Alonso González. ¡Nuestra más sincera enhorabuena a Gonzalo!
Resumen de la tesis:
La luz es omnipresente en nuestro día a día: desde el origen de la vida a través de la fotosíntesis hasta su papel esencial en la visión, que nos permite interpretar e interactuar con nuestro entorno. Durante siglos, la investigación fundamental sobre las propiedades de la luz ha sido la piedra angular para el desarrollo de instrumentos como lentes, microscopios, láseres y fibras ópticas, además de propulsar el avance de la física fundamental y de nuestra comprensión del universo. Con la irrupción de la mecánica cuántica en el siglo XX, se reveló que, en la escala de los átomos y las moléculas —la nanoescala, una dimensión aproximadamente cien mil veces más pequeña que el grosor de un cabello humano—, tanto la luz como la materia exhiben comportamientos extraordinarios. Por ello, controlar la luz en estas escalas tan diminutas es de gran interés, pero también representa un desafío importante, marcado por el denominado “límite de difracción”, que define la mínima escala a la que es posible manipular la luz. Confinar la luz de energías visibles, que van desde el rojo al violeta, o de energías inferiores como el infrarrojo, en dimensiones nanométricas mediante métodos ópticos convencionales, es especialmente complejo. Este obstáculo es precisamente la razón por la cual no podemos observar átomos o moléculas a simple vista.
En este contexto, en la segunda mitad del siglo XX, el descubrimiento de los polaritones —excitaciones que son a la vez luz y materia— abrió una alternativa prometedora. Los polaritones combinan las virtudes de la luz, como su velocidad y ancho de banda, con las de la materia, como su tamaño reducido, potencialmente nanométrico, y su gran capacidad de control y sintonización. El descubrimiento de los polaritones, junto con el desarrollo de técnicas de microscopía cada vez más avanzadas, como las de campo cercano, detonó multitud de estudios sobre el confinamiento y la manipulación de la luz en dimensiones muy reducidas, dando lugar a finales de siglo pasado a la consolidación de la nano-óptica como campo de investigación, donde el estudio y control de los polaritones ocupan un lugar central.
Recientemente, los materiales de van der Waals han recibido mucha atención en el ámbito de la nano-óptica. Los materiales de van der Waals están compuestos por capas extremadamente delgadas, que pueden llegar incluso a tener un solo átomo de espesor. Estas láminas están unidas por fuerzas muy débiles, lo que permite separarlas con facilidad. Su extrema delgadez facilita la propagación de polaritones con longitudes de onda muy pequeñas, decenas o cientos de veces inferiores al límite de difracción. Esta propiedad abre la puerta a investigaciones sobre la propagación de la luz en escalas reducidas y al desarrollo de tecnologías ópticas ultracompactas. Aunque el grafeno es el material más conocido de esta familia, existen miles de otros, algunos de los cuales son anisótropos, es decir, que sus propiedades varían según la dirección. Esta anisotropía propicia la existencia de ondas que solo pueden propagarse a lo largo de determinadas direcciones, conocidas como polaritones hiperbólicos, los cuales son muy prometedores para guiar y manipular la luz en la escala nanométrica.
La tesis «Fundamentos de nano-óptica en materiales de van der Waals hiperbólicos» de Gonzalo Álvarez Pérez, realizada en el Grupo de Nano-óptica Cuántica en la Universidad de Oviedo y dirigida por los doctores Pablo Alonso González y Alexey Nikitin (del Donostia International Physics Center), se centra precisamente en el estudio de la propagación de la luz en la escala nanométrica, con un enfoque particular en los polaritones hiperbólicos en materiales de van der Waals con fuerte anisotropía. La investigación inicia con dos estudios que sientan las herramientas teóricas y experimentales que sirven de base para los capítulos posteriores. Estas herramientas, desarrolladas en esta tesis, permiten predecir la respuesta óptica de este tipo de materiales con gran precisión, y ya han sido ampliamente utilizadas por la comunidad científica trabajando en nano-óptica. Posteriormente, se aborda la visualización de fenómenos ópticos que desafían la intuición clásica, como la reflexión negativa o la refracción anómala, esenciales para el desarrollo de capas de invisibilidad, nanocavidades y superlentes. Además, se presentan aplicaciones concretas, como el diseño de una cavidad plana hiperbólica y el diseño y fabricación de una nanolente con resolución muy por debajo del límite de difracción, dispositivos que permiten manipular la luz con precisión en escalas realmente pequeñas.
La investigación también introduce el germen de un nuevo campo en la nano-óptica, denominado “twist-óptica” (del inglés “twist”, giro). Este se basa en la superposición de materiales anisótropos de van der Waals girados a distintos ángulos para guiar la luz de manera precisa. Al rotar las capas a un ángulo específico, conocido como “ángulo mágico”, la luz se propaga de forma natural en una sola dirección, similar a atravesar un cable de tamaño nanométrico, pero sin la necesidad de fabricar ese cable. Este fenómeno es de gran interés para una amplia gama de tecnologías, incluyendo sensores y circuitos ultracompactos, con aplicaciones que abarcan desde las comunicaciones y la defensa hasta la medicina. Finalmente, la tesis explora diversas vías para el control dinámico de la propagación de la luz en la nanoescala, a través de estímulos externos tanto eléctricos como mecánicos. Este control dinámico es clave para integrar estos avances en las tecnologías ópticas del futuro.
En resumen, la tesis de Gonzalo Álvarez Pérez explora cómo se propaga la luz a nivel nanométrico y desarrolla mecanismos para controlar y guiar dicha propagación. Combinando principios de óptica con la física de la materia condensada, esta investigación revela fenómenos ópticos inusuales y sus posibles aplicaciones prácticas, avanzando así nuestra capacidad para manipular la luz y el flujo de energía en la escala de los átomos y las moléculas.
