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(noticias nanowerk) A diferencia de los electrones, las partículas luminosas no tienen carga y, por tanto, no reaccionan a los campos magnéticos. Sin embargo, los investigadores han conseguido ahora experimentalmente que la luz “detecta” efectivamente un campo magnético dentro de una estructura complicada llamada cristal fotónico, hecha de silicio y vidrio.
Dentro del cristal, la luz gira en círculos y los investigadores observaron por primera vez que forma bandas de energía discretas, correspondientes a un fenómeno bien conocido observado con los electrones. Este descubrimiento podría apuntar a nuevas formas de mejorar la interacción de la luz con la materia, un avance que tiene el potencial de mejorar tecnologías fotónicas como los láseres muy pequeños.
Este trabajo, dirigido por investigadores de Penn State, se basó en una predicción teórica anterior de los miembros del equipo Mikael Rechtsman, profesor de física en la Universidad de Penn State, Jonathan Guglielmon, estudiante de posgrado en Penn State, y Michael Weinstein, matemático de la Universidad de Columbia. .
Un artículo que describe los experimentos publicado en la revista. Fotónica de la naturaleza (“Observación directa de los niveles de Landau en cristales de silicio fotónicos”) junto con otro artículo de un grupo separado de investigadores en los Países Bajos dirigido por Ewold Verhagen, quienes observaron de forma independiente el mismo fenómeno.
«Para las partículas cargadas como los electrones, hay mucha física interesante que surge de sus interacciones con los campos magnéticos», dijo Rechtsman, líder del equipo de investigación. “Por esta razón, ha habido interés en imitar esta física para los fotones, que no están cargados y, por lo tanto, no responden a los campos magnéticos”.
Cuando los electrones atrapados en una superficie bidimensional se exponen a un fuerte campo magnético, se mueven en órbitas circulares o “ciclotrón”. El movimiento de estas órbitas está cuantificado: los electrones están confinados a ciertas energías discretas llamadas niveles de Landau.
«Los niveles de Landau son algo similares a los niveles de energía de los orbitales de los electrones alrededor del núcleo de un átomo», dijo Rechtsman. «En un átomo, los niveles de energía surgen de la atracción de electrones cargados negativamente hacia el núcleo cargado positivamente, mientras que los niveles de Landau surgen de la interacción de los electrones con un campo magnético». campo pseudomagnético – para la luz, manipulando con precisión la estructura de un cristal fotónico».
El equipo de investigación fabrica estos cristales en pequeñas placas de silicio, similares a las que se utilizan para fabricar chips de computadora, en el Laboratorio de Nanofabricación del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. Crean una rejilla de agujeros en forma de panal dentro de la placa de silicio, que tiene solo 1/1000 del grosor de un cabello humano. Los investigadores irradian luz láser hacia la placa de cristal y el patrón de rejilla hace que parte de la luz se refleje hacia adelante y hacia atrás dentro del cristal. Luego, el equipo puede medir el espectro de la luz cuando sale del cristal. Para imitar el efecto de un campo magnético, los investigadores añaden un «voltaje» al patrón de la rejilla.
«Para la rejilla sin tensiones, creamos una estructura de panal de agujeros triangulares a nanoescala que se repite en todo el espacio en un patrón bidimensional», explicó Rechtsman. “Para aumentar la carga, hicimos otra placa pero deformamos el patrón. Parece que el nuevo patrón lo levantamos en ambos lados y lo bajamos en la parte inferior”.
Cuando los investigadores dirigen el láser hacia la rejilla sin tensión, la luz se propaga uniformemente por todo el cristal. En cambio, en la tensa rejilla, la luz se mueve en círculos y el espectro de energía de la luz cambia, formando bandas discretas, al igual que los niveles de Landau. A diferencia de los niveles de Landau en los electrones, las bandas de energía no son planas. En cambio, son curvados, lo que, según los investigadores, se debe al patrón curvo del cristal deformado.
«La naturaleza curva de las bandas se llama dispersión», dijo Rechtsman. “Para mitigar el diferencial, agregamos una carga adicional al patrón. Este voltaje adicional, que actúa como un potencial pseudoeléctrico, contrarresta la dispersión y da como resultado niveles de Landau planos, como los de los electrones”.
Las bandas planas representan una concentración de fotones en ciertas energías discretas y proporcionan una manera de mejorar la interacción de la luz con la materia.
«Hay una serie de aplicaciones en las que aumentar la interacción de la luz y la materia puede mejorar su función», dijo Rechtsman. “Tener bandas planas significa que la luz permanece en un lugar por más tiempo, lo que significa que puedes hacer lo que quieras con la luz de manera más eficiente. Actualmente estamos investigando si podemos utilizar este diseño para láseres más eficientes en chips fotónicos”.
Para llevar a cabo esta investigación, el grupo de Rechtsman se asoció con Randall McEntaffer y Fabien Grisé, astrónomos de rayos X del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Penn State, expertos en nanofabricación de alta precisión. Los estudiantes de posgrado Maria Barsukova y Zeyu Zhang del grupo de Rechtsman tomaron la iniciativa en la realización de experimentos y simulaciones numéricas con la ayuda y orientación de otro estudiante de posgrado, Sachin Vaidya. El equipo también trabajó con Li He y Bo Zhen de la Universidad de Pensilvania.
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