Reflexión negativa de nanoluz

Un estudio publicado en la revista Science Advances revela la reflexión de nanoluz a lo largo de direcciones no esperadas, un hallazgo que podría conducir a formas más eficientes de control de la energía en la nanoescala.

 

Nano-resonador basado en reflexión negativa. Créditos: Aitana Tarazaga Martín-Luengo (Grupo de Nano-óptica Cuántica, Universidad de Oviedo).

 

 

 

 

 

En la escala de los átomos y las moléculas, las reglas ordinarias de la física y la química a veces se rompen y la naturaleza puede manifestar fenómenos muy exóticos. Esta escala es del orden de los nanómetros, la milmillonésima parte de un metro, diez veces el diámetro de un átomo de hidrógeno, en promedio 80.000 veces más fino que el diámetro de un cabello humano o 100.000 veces más delgado que el grosor de una hoja de periódico. Las características de los materiales, como su color, resistencia, conductividad y reactividad, pueden diferir sustancialmente entre nuestra escala y la escala de los nanómetros.

 

La nanotecnología busca precisamente aprovechar estas características inusuales para desarrollar dispositivos innovadores. En las ultimas décadas, esta rama de la ciencia y la tecnología ha contribuido a avances significativos en informática y electrónica, dando lugar a sistemas más rápidos, pequeños y portátiles que son capaces de gestionar y almacenar cantidades de información cada vez mayores. Estos dispositivos, en su mayoría electrónicos, podrían ser aun más eficientes si funcionasen con luz en lugar de electricidad, ya que la transmisión de información con luz es mucho más rápida que con electricidad y, además, su ancho de banda es mayor –de ahí la rapidez, por ejemplo, de la fibra óptica.

 

Sin embargo, hay un inconveniente para combinar nanotecnología y luz. La naturaleza establece un límite sobre cuánto podemos confinar y enfocar la luz: el límite de difracción. Incluso en los microscopios ópticos más punteros, no podemos distinguir dos objetos diferentes que están más cerca que este límite –como cuando vemos un coche desde lejos y no distinguimos claramente sus dos focos. Es imposible ver algo tan pequeño como un átomo o una molécula a simple vista. Esto implica que, en principio, no podemos confinar ni manipular la luz en la escala de los nanómetros.

No obstante, estas reglas pueden, a veces, romperse. Hay una opción para batir el límite de difracción y manipular la luz en la escala nano: utilizar los llamados materiales bidimensionales, cuyo ejemplo más conocido es el grafeno. Estos materiales son extraordinariamente delgados. De hecho, pueden llegar a tener un solo átomo de espesor. Cuando los iluminamos adecuadamente, excitamos unas ondas que viajan a lo largo de su superficie, de forma análoga a cómo el viento forma olas en el mar. El tamaño de las ondas que se propagan en estos materiales tan delgados puede llegar a ser muy pequeño. Es decir, es posible usar los materiales bidimensionales como una suerte de embudos para confinar la luz en la escala de los nanómetros, lo que podría permitir iluminar y ver nítidamente hasta los objetos más pequeños. Lo que se suele llamar nanoluz es en realidad una partícula de origen cuántico cuyas propiedades son una mezcla de las de la luz y las del material en el que viaja: son mitad luz, mitad materia. Estas partículas, llamadas polaritones, heredan las mejores virtudes del material y de la luz con la que lo iluminamos.

En el año 2018 se obtuvo un importante hito en el campo de la nanoóptica mediante la demostración de la existencia de nanoluz direccional, es decir, nanoluz que solo se propaga a lo largo de determinadas direcciones, en la superficie de un material bidimensional, el trióxido de molibdeno. Esta direccionalidad se debe a que este material tiene propiedades ópticas muy exóticas: se comporta como un metal a lo largo de ciertas direcciones y como un aislante a lo largo de otras, algo muy novedoso e interesante, ya que permite dirigir la luz en escalas muy pequeñas. No obstante, para obtener un control sobre este fenómeno, es necesario volver a estudiar y entender los fenómenos más básicos, como, por ejemplo, cómo se refleja esta nanoluz al encontrar un espejo o cómo se refracta al penetrar en otro medio. Estudiar estos fenómenos fundamentales es clave no solo para sentar las bases teóricas de los mismos, sino también para desarrollar nuevos dispositivos con nuevas funcionalidades que sean más eficientes, rápidos y compactos.

En este artículo destacado por el GEFES, el grupo de Nanoóptica Cuántica de la Universidad de Oviedo ha profundizado de manera crítica en el conocimiento de la nanoluz direccional reportando la primera visualización directa del fenómeno de reflexión negativa. Es bien conocido que la luz convencional viaja de idéntica forma a lo largo de todas las direcciones. Es por eso que, para vernos reflejados en un espejo, nos colocamos justo enfrente. En cambio, en materiales como el trióxido de molibdeno, donde la luz viaja de manera tan exótica, la luz se refleja hacia el mismo lado de la línea perpendicular al espejo sobre el que incide, es decir, con un ángulo de reflexión negativo. Es como si, para vernos en el espejo, nos tuviésemos que colocar no enfrente, sinoa un cierto ángulo a un lado. Este fenómeno óptico tan anti-intuitivo, que proporciona una nueva vía hacia la manipulación de la luz en la nanoescala, no solo no se había visualizado aún en esta escala, sino que, hasta ahora, permanecía en gran medida sin explorar debido a la dificultad técnica para visualizar estas ondas en medios anisótropos. Para demostrar este fenómeno en la nanoescala, los investigadores fabricaron espejos de unas pocas micras de tamaño y utilizaron un microscopio de campo cercano: en esencia, un microscopio de fuerza atómica sobre cuya punta, recubierta con un metal, se hace incidir un láser. Al iluminar la punta, cuyo radio es de unos pocos nanómetros, esta concentra mucho la luz, en un espacio de su mismo tamaño, permitiendo visualizar estas ondas viajando por el material con una resolución nanométrica.

 

Además, el estudio revela que es posible sintonizar ampliamente tanto la longitud de la onda como su dirección de propagación tras la reflexión negativa, un resultado muy inesperado, y que también tiene importantes consecuencias para desarrollar aplicaciones tecnológicas. De hecho, sobre la base de estos hallazgos, en el trabajo se presenta el diseño de un dispositivo novedoso en nanotecnología: un nano-resonador hiperbólico fabricado en la superficie de este tipo de materiales, que permite reflejar toda la nanoluz en un solo punto, aumentando la intensidad en un 64%. Estos resultados proporcionan una ruta novedosa y eficiente para confinar y controlar el flujo de luz en la nanoescala, algo que es clave para desarrollar futuras tecnologías. Este dispositivo podría utilizarse, por ejemplo, como un detector de moléculas en la escala nanométrica. Se podría colocar una molécula en el centro del nano-resonador, y, a la energía adecuada, eso permitiría construir un biosensor muy sensible.