Un grupo de científicos del Instituto de investigación fundamental de la materia de física atómica y molecular (Amolf), la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) y la Universidad de Cornell (EE.UU.) ha demostrado una nueva forma de enfocar la luz en un chip a una escala extremadamente pequeña. Su método aprovecha las propiedades especiales de un cristal fotónico y funciona con un espectro de longitudes de onda más amplio que otros métodos y podría aplicarse en sensores ópticos o en láseres integrados en chip.
Enfocar la luz es importante para diversas aplicaciones tecnológicas en chips fotónicos, como la comunicación cuántica, los sensores ópticos y los láseres integrados en el chip. Hasta ahora, se conocían dos estrategias generales para concentrar la luz: mediante cavidades ópticas o con guías de onda que comprimen la luz como un embudo.
El primer método utiliza resonancia, que limita el enfoque o la concentración de la luz a una longitud de onda específica. El segundo método funciona, de forma similar a una lente tradicional, solo que en un dispositivo con una longitud de onda mucho mayor que la de la luz utilizada.
Focalización del haz de luz en el chip
El nuevo método cuenta con un aspecto clave, la llamada topología del sistema físico. Según los investigadores, se utilizan cristales fotónicos, que son placas de silicio con un patrón regular de agujeros muy pequeños que, en principio, impiden la propagación de la luz en la placa de silicio.
Sin embargo, al colocar dos de estos cristales con un patrón de espejo uno junto al otro, se crea una guía de ondas en su límite, la luz solo puede moverse a lo largo de él. Gracias a este diseño, la conducción de la luz está protegida topológicamente, lo que significa que se suprime la dispersión o reflexión de la luz por imperfecciones en el cristal.
Los investigadores se preguntaron qué sucedería si terminaran abruptamente dicha guía de ondas, con una pared de material que la luz no pudiera atravesar. En teoría, como la luz no tiene adónde ir y se suprimen los reflejos, debería acumularse frente a esa pared. Una de las hipótesis era que la luz finalmente rebotaría a través de la guía de ondas, pero solo después de un retraso, produciendo una amplificación local del campo luminoso.
Amplificación del campo de luz
Los investigadores decidieron verificar las predicciones en un experimento. Las guías de ondas topológicas se crearon en un chip de silicio. Para visualizar la acumulación prevista de luz dentro del cristal fotónico, se utilizó un microscopio único que escanea los campos de luz a través de una aguja ultrafina sobre la superficie del cristal. Este microscopio puede localizar la intensidad de la luz en una escala aproximadamente 1.000 veces menor que el grosor de un cabello humano.
Gracias a esta tecnología, se pudo observar una clara amplificación del campo de luz al final de la guía de ondas topológica. Esto solo ocurrió cuando la pared que termina la guía de ondas se colocó en un ángulo determinado, demostrando que la amplificación de la luz está relacionada con la supresión topológica de la retrorreflexión. La amplificación de la luz se concentra en un volumen muy pequeño, tan pequeño como la longitud de onda de la propia luz. Una gran ventaja de este método es su banda ancha inherente, que funciona con múltiples longitudes de onda diferentes.
Esta investigación, publicada en Science Advances, puede interpretarse como una guía para futuras investigaciones o aplicaciones de este tipo de amplificación de luz en un chip. El mecanismo demostrado también debería aplicarse a cualquier otro tipo de onda en un medio estructurado, incluyendo ondas sonoras o incluso electrones en cristales específicos.