Investigadores del CIC nanoGUNE San Sebastián, España, en colaboración con el Donostia International Physics Center DIPC, San Sebastián, España y Kansas State University USA, informe en ciencia el desarrollo de una llamada 'metasuperficie hiperbólica' en la que la luz se propaga con frentes de onda completamente remodelados. Este logro científico hacia un control y monitoreo más preciso de la luz es muy interesante para el desafío tecnológico a largo plazo de miniaturizar dispositivos ópticos para detección y señalización.Procesando.
Las ondas ópticas que se propagan lejos de una fuente puntual suelen mostrar frentes de onda circulares convexos. "Como ondas en la superficie del agua cuando se deja caer una piedra", explica Peining Li, miembro de la UE Marie Sklodowska-Curie en nanoGUNE y 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 ya habían predicho teóricamente 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 metasuperficies hiberbólicas, las ondas emitidas desde una fuente puntual se propagan solo en ciertas direcciones y con apertura frentes de onda cóncavos ", explica Javier Alfaro, estudiante de doctorado en nanoGUNE y coautor del artículo. Estas ondas inusuales se denominan polaritones de superficie hiperbólica. Porque se propagan solo en ciertas direcciones y con longitudes de onda mucho más pequeñas que la de la luz enespacio libre o guías de ondas estándar, podrían ayudar a miniaturizar los dispositivos ópticos para la detección y el procesamiento de señales.
Ahora, los investigadores desarrollaron tal metasuperficie para luz infrarroja. Se basa en nitruro de boro, un material 2D similar al grafeno, y fue seleccionado debido a su capacidad para manipular la luz infrarroja en escalas de longitud extremadamente pequeñas, lo que podría aplicarse parael desarrollo de sensores químicos miniaturizados o para la gestión del calor en dispositivos optoelectrónicos a nanoescala. Por otro lado, los investigadores lograron observar directamente los frentes de onda cóncavos con un microscopio óptico especial, que hasta ahora ha sido esquivo.
Las metasuperficies hiperbólicas son difíciles de fabricar porque se requiere una estructuración extremadamente precisa en la escala nanométrica. Irene Dolado, estudiante de doctorado en nanoGUNE, y Saül Vélez, ex investigadora postdoctoral en nanoGUNE ahora en ETH Zürich dominaron este desafío mediante la litografía por haz de electronesy grabado de escamas delgadas de nitruro de boro de alta calidad proporcionado por la Universidad Estatal de Kansas. "Después de varios pasos de optimización, logramos la precisión requerida y obtuvimos estructuras de rejilla con tamaños de brecha tan pequeños como 25 nm", dice Dolado. "Los mismos métodos de fabricacióntambién se puede aplicar a otros materiales, lo que podría allanar el camino para realizar estructuras artificiales de metasuperficie con propiedades ópticas personalizadas ", agrega Saül Vélez.
Para ver cómo se propagan las ondas a lo largo de la metasuperficie, los investigadores utilizaron una técnica de nanoimagen infrarroja de vanguardia que fue iniciada por el grupo de nanópticos de nanoGUNE. Primero colocaron una nanovarilla de oro infrarroja en la metasuperficie.papel de una piedra arrojada al agua ", dice Peining Li. La nanovarilla concentra la luz infrarroja incidente en un punto diminuto, que lanza ondas que luego se propagan a lo largo de la metasuperficie. Con la ayuda de un microscopio de campo cercano de barrido de tipo dispersións-SNOM los investigadores tomaron imágenes de las ondas. "Fue asombroso ver las imágenes. De hecho, mostraron la curvatura cóncava de los frentes de onda que se estaban propagando desde la nanovarilla de oro, exactamente como lo predice la teoría", dice Rainer Hillenbrand, IkerbasqueProfesor de nanoGUNE, quien dirigió el trabajo.
Los resultados prometen que los materiales 2D nanoestructurados se conviertan en una plataforma novedosa para los dispositivos y circuitos de metasuperficies hiberbólicas, y demuestren aún más cómo se puede aplicar la microscopía de campo cercano para revelar fenómenos ópticos exóticos en materiales anisotrópicos y para verificar nuevos principios de diseño de superficies.
La investigación ha sido financiada principalmente por becas individuales de la Unión Europea Marie Sklodowsca-Curie Actions y el programa de becas de investigación predoctoral de los Gobiernos Vasco y Español, así como por la National Science Foundation EE.UU., y hase ha llevado a cabo en línea con los proyectos nanoGUNEs dentro del buque insignia de grafeno de la UE.
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Materiales proporcionados por Elhuyar Fundazioa . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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