Avance en el control de la luz

May 20, 2023

Por Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) 24 de mayo de 2023

Diagrama esquemático de una metarrejilla que convierte normalmente la luz incidente en SPP unidireccionales. La celda unitaria de la metagradación consta de dos nanoestructuras diferentes e induce pérdidas ópticas adaptadas. Crédito: POSTECH

Científicos del POSTECH de Corea y de la Universidad del Noreste de los EE. UU. han manipulado con éxito la luz usando meta-redes no hermitianas, convirtiendo la pérdida óptica en una herramienta beneficiosa. Han desarrollado un nuevo método para controlar la dirección de la luz utilizando acopladores de meta-rejilla especialmente diseñados. Este avance podría hacer avanzar la investigación de sensores cuánticos y dar lugar a una serie de nuevas aplicaciones, como el diagnóstico de enfermedades y la detección de contaminación.

La luz es un fenómeno físico muy delicado y vulnerable. La luz puede ser absorbida o reflejada en la superficie de un material dependiendo de las propiedades de la materia o cambiar su forma y convertirse en energía térmica. Al llegar a la superficie de un material metálico, la luz también tiende a perder energía hacia los electrones dentro del metal, una amplia gama de fenómenos que llamamos "pérdida óptica".

La producción de elementos ópticos ultrapequeños que utilizan la luz de varias formas es muy difícil, ya que cuanto más pequeño es el tamaño de un componente óptico, mayor es la pérdida óptica. Sin embargo, en los últimos años, se ha aplicado a la investigación óptica la teoría no hermítica, que utiliza la pérdida óptica de una forma completamente diferente. Se están realizando nuevos descubrimientos en física adoptando la teoría no hermitiana que abarca la pérdida óptica, explorando formas de hacer uso del fenómeno, a diferencia de la física general, donde la pérdida óptica se percibe como un componente imperfecto de un sistema óptico. Una 'bendición disfrazada' es aquella que inicialmente parece ser un desastre pero que finalmente resulta en buena suerte. Esta historia de investigación es una bendición disfrazada en física.

Visualización de la luz incidente en un metagrating y su conversión en SPP unidireccionales. (Simulación) Crédito: POSTECH

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances, la revista académica internacional.

Cuando la luz incide sobre una superficie metálica, los electrones en el metal oscilan colectivamente como un solo cuerpo con la onda de luz. El fenómeno se llama polaritón de plasmón superficial o SPP. Un 'acoplador de rejilla' se usa ampliamente como dispositivo auxiliar para controlar las direcciones de los SPP. La eficiencia del dispositivo está limitada porque convierte la luz incidente en ángulo recto en SPP en direcciones no deseadas.

Observación del patrón de interferencia entre el SPP que se propaga hacia la derecha y el SPP reflejado por el metagrating. Debido a la unidireccionalidad de la metarred, el SPP no transmite a través de la metarred en la dirección opuesta. Crédito: POSTECH

El equipo de investigación aplicó la teoría no hermitiana para superar el inconveniente. Para empezar, el equipo calculó el punto teórico excepcional cerca del cual se produce una determinada pérdida óptica. Luego, validaron su efectividad a través de experimentos utilizando su acoplador de meta-rejilla no hermitiano especialmente diseñado. El acoplador de meta-rejilla demostró ser eficaz para proporcionar un control unidireccional de los SSP, lo que era casi imposible con otros acopladores de rejilla. También podrían hacer que la luz y el SPP se propaguen en direcciones opuestas al controlar el tamaño y la distancia de las metarrejas. El equipo de investigación pudo lograr la conversión de la luz incidente en SSP de vuelta a la luz normal utilizando el mismo dispositivo de metarrejilla.

Los hallazgos de la investigación pueden ser útiles en la investigación de sensores cuánticos en diversas áreas, como la detección de antígenos para el diagnóstico de enfermedades o gases nocivos en la atmósfera, lo que, combinado con la ingeniería, podría abrir la puerta a una amplia gama de aplicaciones. El profesor Junsuk Rho, que dirigió el equipo, dijo: "Esta investigación llevó la óptica no hermitiana al territorio de la nanoescala. Contribuirá al desarrollo de futuros dispositivos plasmónicos que tengan un control de dirección y un rendimiento excelentes".

Referencia: "Control de sublongitud de onda del transporte de luz en el punto excepcional mediante metagradaciones no hermitianas" por Yihao Xu, Lin Li, Heonyeong Jeong, Seokwoo Kim, Inki Kim, Junsuk Rho y Yongmin Liu, 12 de mayo de 2023, Science Advances.DOI: 10.1126 /sciadv.adf3510

La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Fundación de Ciencia y Tecnología de Samsung y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.