Un equipo de investigación liderado por el profesor Shuang Zhang de la Universidad de Hong Kong (HKU) y el profesor Qing Dai del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de China ha presentado una solución a un problema común en el campo de la nanofotónica: el estudio de la luz a una escala muy pequeña.
Sus resultados, recientemente publicados en la prestigiosa revista científica Nature Materials, proponen un enfoque sintético utilizando ondas de frecuencia compleja (CFW) para abordar el problema de la pérdida de luz en la propagación de polaritones. Estos hallazgos ofrecen soluciones prácticas, como dispositivos basados en luz más eficientes que permiten un almacenamiento y procesamiento de datos más rápido y compacto en sistemas informáticos y dispositivos de almacenamiento de datos, así como una mayor precisión en sensores, técnicas de imagen y sistemas de seguridad.
Los polaritones y las moléculas polaritón-fonón ofrecen beneficios como el almacenamiento de energía eficiente, un aumento en el campo local y una alta sensibilidad, derivados de su capacidad para confinar la luz a una escala pequeña. Sin embargo, sus aplicaciones prácticas se han visto obstaculizadas por las pérdidas óhmicas causadas por la dispersión de energía al interactuar con materiales naturales.
Durante las últimas tres décadas, esta limitación ha impedido el progreso en la nanofotónica para sensores, imágenes de super resolución y circuitos nanofotónicos. Superar las pérdidas óhmicas mejoraría significativamente la eficiencia de los dispositivos, permitiendo el desarrollo de tecnologías de sensores, imágenes de alta resolución y circuitos nanofotónicos avanzados.
El profesor Shuang Zhang, autor correspondiente del artículo, explicó el objetivo de la investigación, afirmando: «Para abordar el desafío de las pérdidas ópticas en aplicaciones clave, hemos presentado una solución práctica. Al emplear un enfoque innovador utilizando estimulación de ondas complejas, logramos una amplificación virtual y compensación de las pérdidas intrínsecas en el sistema de polaritones. Para verificar este método, lo aplicamos al sistema de propagación de polaritón-fonones y observamos una mejora significativa en la propagación de polaritones».
«En nuestros experimentos, utilizamos materiales polaritónicos, como hBN y MoO3, en el rango de frecuencia óptica. Obtuvimos una distancia de propagación casi sin pérdidas coherente con nuestras predicciones teóricas», agregó el Dr. Fuxin Guan, primer autor del artículo y becario postdoctoral del Departamento de Física de HKU.
En este trabajo, el equipo desarrolló un enfoque innovador de múltiples frecuencias para abordar la pérdida de energía en la propagación de polaritones. Utilizaron un tipo especial de onda llamada «ondas de frecuencia compleja» para lograr la amplificación virtual y compensación de las pérdidas en el sistema óptico. Mientras que una onda regular mantiene una amplitud o intensidad constante a lo largo del tiempo, una onda de frecuencia compleja exhibe tanto una oscilación como una amplificación simultáneamente. Esta característica permite una representación más completa del comportamiento de la onda y permite la compensación de pérdidas de energía.
Similar a la cocina, cuando necesitas un ingrediente específico que es difícil de encontrar, los investigadores utilizaron un concepto similar. Descompusieron las ondas de frecuencia compleja en componentes más simples, de la misma manera en que se utilizan ingredientes sustitutos en una receta. Cada componente representaba un aspecto diferente de la onda. Es como crear un plato delicioso usando sustitutos para lograr el sabor deseado. Al medir estos componentes en diferentes frecuencias y combinar los datos, reconstruyeron el comportamiento de un sistema iluminado por una onda de frecuencia compleja. Esto ayudó a comprender y compensar la pérdida de energía. Este enfoque simplifica significativamente la implementación práctica de CFW en varias aplicaciones, incluyendo la propagación de polaritones y la imagen de super resolución. Al realizar mediciones ópticas en diferentes frecuencias reales con un intervalo definido, se vuelve posible construir la respuesta óptica del sistema en una frecuencia compleja. Esto se logra combinando matemáticamente las respuestas ópticas obtenidas en diferentes frecuencias reales.
El profesor Qing Dai del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología, segundo autor correspondiente del artículo, afirmó que este trabajo proporciona una solución práctica a un problema de larga data de pérdidas ópticas en nanofotónica. Destacó la importancia del método de frecuencia compleja, afirmando que se puede aplicar fácilmente a varias otras aplicaciones, como el análisis molecular y circuitos nanofotónicos integrados. También enfatizó que «este método es extraordinario y universal, ya que también se puede utilizar para eliminar pérdidas en otros sistemas de ondas, incluyendo ondas sonoras, ondas elásticas y ondas cuánticas, elevando la calidad de imagen a niveles sin precedentes.»
Preguntas frecuentes (FAQ)
¿Qué es la nanofotónica?
La nanofotónica es el estudio de la luz a una escala muy pequeña. Se centra en la interacción de la luz con estructuras y materiales nanoescala, y busca desarrollar dispositivos y aplicaciones basadas en esta interacción.
¿Cuál es el problema que aborda este estudio?
El estudio aborda el problema de las pérdidas ópticas en la propagación de polaritones, que son partículas que resultan de la interacción de fotones y fonones. Estas pérdidas han sido un obstáculo para el desarrollo de aplicaciones prácticas en nanofotónica.
¿Qué es una onda de frecuencia compleja?
Una onda de frecuencia compleja es un tipo especial de onda que exhibe tanto oscilación como amplificación simultáneamente. A diferencia de una onda regular, cuya amplitud o intensidad se mantiene constante, una onda de frecuencia compleja permite una representación más completa del comportamiento de la onda.
Fuente: https://www.nature.com
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