Duan, G. Álvarez-Pérez, K. V. Voronin, I. Prieto, J. Taboada-Gutiérrez, V. S. Volkov, J. Martín-Sánchez, A. Y. Nikitin, P. Alonso-González, «Enabling propagation of anisotropic polaritons along forbidden directions via a topological transition», publicado en Science Advances, ha sido seleccionado como uno de los 2 artículos destacados del semestre Abril-Septiembre 2021.
El desarrollo de las futuras nanotecnologías fotónicas depende en última instancia de nuestra capacidad para controlar la propagación de la luz en circuitos ópticos de tamaño nanométrico, 10.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.
Una de las opciones para controlar dicha propagación la ofrecen los polaritones, unas ondas que se excitan cuando iluminamos la superficie de algunos materiales, de forma análoga a cómo el viento genera las olas en el mar. Sus características son una combinación de las propiedades de la luz incidente y del propio material que los soporta, es decir, son ondas híbridas luz-materia. Por ello, ofrecen la posibilidad de manipular y explorar la luz a través de la materia y la materia a través de la luz en la escala nanométrica.
Estas ondas híbridas son particularmente interesantes en los llamados materiales bidimensionales, aquellos materiales que se pueden dividir de una forma relativamente sencilla en láminas tan delgadas que pueden llegar a tener incluso un solo átomo de espesor, como un paquete de folios que se separan fácilmente. El material más conocido de esta familia es el grafeno, pero hay muchos otros que están actualmente siendo investigados por sus propiedades únicas. Estos materiales, al ser tan delgados, soportan polaritones con un tamaño muy pequeño, potencialmente nanométrico. Por lo tanto, podemos utilizarlos para confinar la luz en la nanoescala, como si de un embudo se tratase. Esto abre perspectivas para desarrollar nuevas tecnologías extremadamente compactas, que, por otro lado, son muy prometedoras para multitud de aplicaciones, ya que tanto su velocidad como su ancho de banda (es decir, la cantidad de información que pueden transportar estas ondas) son mucho mayores que en el caso de los electrones.
Uno de esos materiales bidimensionales, el trióxido de molibdeno (α-MoO3), además de exhibir todas estas propiedades tan interesantes, tiene una peculiaridad: los polaritones solo pueden viajar en ciertas direcciones del espacio (panel B). Esto abre la puerta a un control direccional de la luz en la nanoescala, con aplicaciones muy interesantes en campos tan diversos como la biodetección y las telecomunicaciones. Sin embargo, estas direcciones de propagación están intrínsecamente predeterminadas por la propia estructura del material y, como resultado, hay direcciones prohibidas a lo largo de las cuales no hay propagación de polaritones.
En este artículo reportamos que es posible reorientar la propagación de la nanoluz a lo largo de estas direcciones previamente prohibidas, acoplando dicha nanoluz en el trióxido de molibdeno con la soportada en determinados sustratos, como por ejemplo el carburo de silicio (panel C). Los experimentos se realizaron mediante visualización directa del fenómeno utilizando un microscopio óptico de barrido de campo cercano (panel A), uno de los métodos más avanzados en la investigación de nuevos nanomateriales. La causa física que permite la propagación de nanoluz a lo largo de dichas direcciones previamente prohibidas tiene que ver con la topología de las curvas de isofrecuencia de los polaritones, el análogo óptico de las superficies de Fermi en sistemas electrónicos.
Este trabajo proporciona nuevos conocimientos fundamentales sobre la aparición de transiciones topológicas en materiales de van der Waals, que constituyen una plataforma ideal para traducir a la óptica recientes avances en topología en materiales electrónicos, una ruta muy prometedora para dirigir la luz eficientemente en la nanoescala.
Figura. Visualización de la propagación de nanoluz a lo largo de direcciones prohibidas. (A) Ilustración de polaritones propagándose en α-MoO3 sobre un sustrato de SiC. (B, C) Arriba: Imágenes experimentales de nanoluz propagándose en una lámina de α-MoO3 sobre sustratos de SiO2 (B) y SiC (C), respectivamente, a una frecuencia ω0 = 934 cm−1. La propagación ocurre en sectores hiperbólicos que están mutuamente rotados. Abajo: simulación del campo eléctrico de los polaritones en una lámina de α-MoO3 sobre sustratos de SiO2 (B) y SiC (C), respectivamente, a una frecuencia ω0 = 934 cm−1. a.u.: unidades arbitrarias.