Una nueva metasuperficie pone la luz al revés

Propagación de la luz convencional (izqda.) y en el nuevo metamaterial
P. LI, CIC NANOGUNE
Actualizado 23/02/2018 13:24:09 CET

   MADRID, 23 Feb. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores del CIC nanoGUNE, en San Sebastián, han desarrollado una metasuperficie denominada hiperbólica en la que la luz se propaga con flancos de onda completamente reformados.

   Este logro científico hacia un control y una monitorización más precisos de la luz es muy interesante para la miniaturización de dispositivos ópticos para detectar y procesar señales, según el estudio, publicado en Science.

   Las ondas ópticas que se propagan lejos de una fuente puntual típicamente exhiben frentes de onda circulares (convexos). "Como las olas en una superficie de agua cuando se arroja una piedra", dice Peining Li, primer autor del artículo.

   La razón de esta propagación circular es que el medio a través del cual viaja la luz es típicamente homogéneo e isotrópico, es decir, uniforme en todas las direcciones.

   Los científicos teóricamente habían predicho que las superficies específicamente estructuradas pueden invertir los frentes de onda de la luz cuando se propaga a lo largo de ellos. "En tales superficies, llamadas hiperbólicas, las ondas emitidas desde una fuente puntual se propagan solo en ciertas direcciones, y con frentes de onda abiertos (cóncavos)", explica Javier Alfaro, estudiante en nanoGUNE y coautor del trabajo.

   Estas ondas inusuales se llaman polaritones de superficie hiperbólica. Debido a que se propagan solo en ciertas direcciones, y con longitudes de onda que son mucho más pequeñas que la de la luz en el espacio libre o las guías de onda estándar, podrían ayudar a miniaturizar los dispositivos ópticos para detectar y procesar la señal.

   Ahora, los investigadores han desarrollado tal meta-superficie para luz infrarroja. Está basado en nitruro de boro, un material 2-D tipo grafeno, que se seleccionó debido a su capacidad para manipular luz infrarroja en escalas de longitud extremadamente pequeñas. Esto tiene aplicaciones en sensores químicos miniaturizados o para el control del calor en dispositivos optoelectrónicos a nanoescala. Los investigadores observaron directamente los frentes de onda cóncavos con un microscopio óptico especial.

   Las metasuperficies hiperbólicas son difíciles de fabricar, porque se requiere una estructuración extremadamente precisa a escala nanométrica. Irene Dolado, estudiante en nanoGUNE, y Saül Vélez, ex investigador postdoctoral en nanoGUNE (ahora en ETH Zürich) dominaron este desafío usando litografía por haz de electrones y grabado de copos finos de nitruro de boro de alta calidad proporcionados por la Universidad Estatal de Kansas.

   "Después de varios pasos de optimización, logramos la precisión requerida y obtuvimos estructuras de rejilla con espacios de hasta 25 nm", dice Dolado. "Los mismos métodos de fabricación también se pueden aplicar a otros materiales, lo que podría allanar el camino para realizar estructuras de metasuperficie artificiales con propiedades ópticas personalizadas", añade Saúl Vélez.

   Para ver cómo se propagan las ondas a lo largo de la meta-superficie, los investigadores utilizaron una técnica avanzada de nanoimagen infrarroja que fue desarrollada por el grupo de nanoóptica en nanoGUNE. Primero colocaron una nanobarra de oro infrarroja en la metasuperficie. "Tiene el papel de una piedra arrojada al agua", dice Peining Li. La nanobarra concentra la luz infrarroja incidente en una pequeña mancha, que lanza ondas que luego se propagan a lo largo de la meta-superficie. Con la ayuda de un llamado microscopio de campo cercano de escaneo de tipo dispersión (s-SNOM), los investigadores tomaron imágenes de las ondas.

   "Fue increíble ver las imágenes. De hecho mostraron la curvatura cóncava de los frentes de onda que se propagaban desde la nanobarra de oro, exactamente como lo predice la teoría", dice Rainer Hillenbrand, profesor de Ikerbasque en nanoGUNE, quien dirigió el trabajo.