Cualquiera que haya tocado la batería afinó una guitarra, o incluso hizo que una copa de vino "cantara" haciendo círculos con un dedo a lo largo de su borde sabe acerca de la resonancia. Resonadores acústicos, como la cavidad de un tambor o una copa de vino medio llena, vibran naturalmente a ciertas frecuencias de ondas sonoras para producir tonos específicos. El fenómeno de la resonancia también se puede aplicar a las ondas de luz, siendo los resonadores ópticos componentes clave de dispositivos como láseres y sensores.

Un estudio publicado en Naturaleza describe un nuevo diseño de resonadores ópticos que son más efectivos para atrapar la luz, un importante paso fundamental hacia la fabricación de dispositivos ópticos más eficientes. El trabajo fue realizado por Bo Zhen y Ph.D. el estudiante Jicheng Jin de Penn e investigadores de la Universidad de Pekín y el MIT.

Parte de lo que hace que la luz sea tan difícil de atrapar en un resonador es que la luz está hecha de ondas de alta frecuencia, lo que significa que sus longitudes de onda son extremadamente pequeñas, millones de veces más pequeñas que las ondas acústicas que la gente escucha todos los días. Para atrapar estas pequeñas olas durante mucho tiempo, Los resonadores ópticos no solo deben ser increíblemente pequeños sino también extremadamente precisos. "El problema es que la fabricación no es perfecta, "explica Zhen". Naturalmente, el proceso de fabricación introducirá rugosidad en la superficie y fluctuaciones en el diseño original, por lo que el dispositivo real en la práctica siempre está lleno de baches ".

La naturaleza "irregular" e imperfecta de los resonadores ópticos es lo que actualmente limita el factor de calidad de un dispositivo, o la cantidad de tiempo que el resonador puede atrapar la luz antes de que las ondas se desvanezcan. Dadas las limitaciones en la ingeniería de tales dispositivos, los investigadores buscaron hacer un resonador óptico que fuera menos propenso a las imperfecciones inherentes.

Este trabajo se basó en la investigación previa de Zhen sobre la teoría de cargas topológicas, también conocidos como estados ligados en el continuo. Las cargas topológicas se forman por interferencia, un fenómeno ondulatorio común que se puede ver cuando las ondas chocan entre sí y se suman para formar ondas más grandes o se cancelan entre sí. Las cargas topológicas ocurren cuando las ondas de radiación que salen del dispositivo se cancelan entre sí, permitiendo que el dispositivo contenga la energía de la luz durante más tiempo.

Con ideas de la teoría de Zhen, los investigadores diseñaron, simulado, y dispositivos resonadores ópticos fabricados llamados placas de cristal fotónico, que están modelados con orificios de tamaño nanométrico espaciados uniformemente entre sí. Su dispositivo todavía era "imperfecto, "con superficies irregulares visibles bajo un microscopio electrónico de barrido, pero la característica topológica única del diseño mejoró enormemente el factor de calidad, o la capacidad de atrapar la luz durante un período de tiempo mucho más largo de lo que sería posible de otra manera.

Una característica única del dispositivo es que podría generar nueve cargas topológicas únicas. Cada carga separada luego se fusiona en una, provocando una cancelación aún más fuerte de las ondas de radiación, atrapar la luz dentro del dispositivo durante períodos de tiempo más prolongados.

La fusión de los cargos fue un fenómeno que se había predicho en trabajos anteriores, explica Zhen, pero el último artículo del grupo proporcionó una sólida comprensión teórica de su efecto sobre los factores de calidad. "El hecho de que tengan nueve cargas fusionándose en el mismo punto es una característica muy singular. Al principio, es bastante engañoso; se puede interpretar de diferentes maneras, y nos desviamos hacia otras direcciones. Finalmente, a través de mucho pensamiento, todo salió bien ".

Su plataforma innovadora, con un factor de calidad 10 veces mayor que otros dispositivos que no utilizan cargas topológicas fusionadas, puede conducir a mejoras en numerosas aplicaciones basadas en óptica. Es más, los investigadores ya demostraron la usabilidad de su enfoque en una aplicación inmediata del mundo real, ya que el estudio analizó las longitudes de onda de la luz que ya se están utilizando para las telecomunicaciones.

Gracias a sus áreas de especialización complementarias, de la fabricación de dispositivos en la Universidad de Pekín y la física teórica en Penn, los científicos pudieron desarrollar un sencillo, solución basada en la física para un desafío de ingeniería no resuelto previamente.

"Mejora la calidad sin optimizar la fabricación, "dice Jin, quien recientemente obtuvo su maestría en la Universidad de Pekín y ahora es un estudiante graduado en el laboratorio de Zhen. "No tiene que hacer un trabajo exigente para mejorar los métodos de fabricación; solo necesita elegir un diseño inteligente. No hay trucos complicados, pero puedes ver una gran mejora ".