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Un grupo de científicos ha redefinido los límites del confinamiento de la luz e introducido un tipo innovador de cavidad polaritónica, un gran avance para la nanofotónica cuántica. Este avance innovador elude las limitaciones normales de la nanofotónica al demostrar un método inusual para confinar fotones, como se describe en un estudio publicado en Materiales naturales.
![](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_40723_17073101915636042.jpg)
Los físicos llevan mucho tiempo buscando formas de comprimir fotones en volúmenes cada vez más compactos. La longitud de onda es la escala de longitud natural del fotón, y si se comprime un fotón en una cavidad mucho más pequeña que la longitud de onda, se vuelve más «concentrado». Esta concentración aumenta las interacciones con los electrones y mejora los procesos cuánticos dentro de la cavidad.
A pesar del éxito significativo en confinar la luz a espacios profundos por debajo de la longitud de onda, la disipación (absorción óptica) sigue siendo un desafío importante. Los fotones en las nanocavidades se absorben mucho más rápido que la longitud de onda, lo que limita su uso en algunas de las aplicaciones cuánticas más prometedoras.
Para abordar este problema, el grupo de investigación del Prof. Frank Koppens del ICFO en Barcelona, España, ha desarrollado nanocavidades que exhiben una combinación sin precedentes de volumen por debajo de la longitud de onda y longevidad extendida. Estas nanocavidades, que tienen solo 3 nm de espesor y un área de menos de 100 × 100 nm², son capaces de confinar la luz durante períodos de tiempo significativamente más largos. El secreto consiste en aprovechar los polaritones de fonones hiperbólicos, que son excitaciones electromagnéticas especiales que tienen lugar en el material bidimensional de la cavidad.
Este estudio utiliza una técnica de confinamiento novedosa e indirecta que contrasta con investigaciones anteriores sobre cavidades basadas en fonones-polaritones. Utilizando un microscopio de haz de iones extremadamente enfocado (2-3 nanómetros), se perforan agujeros de tamaño nanométrico en un sustrato de oro para crear las nanocavidades.
Una vez hechos los agujeros, se les aplica una sustancia 2D llamada nitruro de boro hexagonal (hBN). El hBN soporta polaritones de fotones hiperbólicos, que son excitaciones electromagnéticas comparables a la luz normal pero que pueden estar contenidas en volúmenes pequeños.
Cuando los polaritones pasan por el borde del metal, se reflejan fuertemente y, por lo tanto, pueden ser capturados. Este enfoque evita la manipulación directa del hBN y mantiene su calidad nativa, permitiendo fotones extremadamente confinados y de larga vida en la cavidad.
Este descubrimiento comenzó con una observación casual mientras se escaneaban estructuras de materiales bidimensionales con un microscopio óptico de campo cercano para un proyecto separado. Los polaritones en la región del infrarrojo medio del espectro podrían haberse producido y medido con un microscopio de campo cercano, y los investigadores vieron un reflejo excepcionalmente fuerte de estos polaritones en el borde metálico.
Este sorprendente hallazgo condujo a una investigación más exhaustiva que reveló el mecanismo especial de confinamiento y su conexión con la formación de nanohaces.
Sin embargo, después de crear y medir las cavidades, el equipo experimentó una sorpresa sorprendente.
Las mediciones experimentales suelen ser peores de lo que sugiere la teoría, pero en este caso descubrimos que los experimentos superaron las predicciones teóricas optimistas simplificadas. Este éxito inesperado abre las puertas a nuevas aplicaciones y avances en fotónica cuántica y amplía los límites de lo que creíamos posible.
Dr. Hanan Herzig Sheinfux, autora principal del estudio y profesora del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan
Durante su periodo postdoctoral en el ICFO, el Dr. Herzig Sheinfux trabajó con el profesor Koppens en el estudio. Su objetivo es utilizar estas cavidades para observar eventos cuánticos que antes se consideraban imposibles e investigar la fascinante y paradójica física de la actividad hiperbólica de fonones-polaritones.
Referencia de la revista:
Sheinfux, HH, et. Alabama. (2024) Nanocavidades de alta calidad mediante confinamiento multimodal de polaritones hiperbólicos en nitruro de boro hexagonal. Materiales naturales. doi:10.1038/s41563-023-01785-w.
Fuente: https://www.biu.ac.il/en
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