En 2015, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desarrollaron el primer metamaterial en chip con un índice de refracción de cero, lo que significa que la fase de la luz podría extenderse infinitamente. El metamaterial representó un nuevo método para manipular la luz y fue un importante paso adelante para los circuitos fotónicos integrados, que utilizan luz en lugar de electrones para realizar una amplia variedad de funciones.

Ahora, Los investigadores de SEAS han impulsado aún más esa tecnología, desarrollando una guía de ondas de índice cero compatible con las tecnologías fotónicas de silicio actuales. Al hacerlo, el equipo observó un fenómeno físico que generalmente no es observable:una onda de luz estacionaria.

La investigación se publica en Fotónica ACS . La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha presentado una solicitud de patente y está explorando oportunidades de comercialización.

Cuando una longitud de onda de luz se mueve a través de un material, sus crestas y valles se condensan o se estiran, dependiendo de las propiedades del material. Cuánto se condensan las crestas de una onda de luz se expresa como una relación llamada índice de refracción:cuanto mayor es el índice, cuanto más aplastada la longitud de onda.

Cuando el índice de refracción se reduce a cero, la luz ya no se comporta como una onda en movimiento, viajando por el espacio en una serie de crestas y valles, también conocido como fases. En lugar de, la ola se alarga infinitamente, creando una fase constante. La fase oscila solo como una variable de tiempo, no espacio.

Esto es emocionante para la fotónica integrada porque la mayoría de los dispositivos ópticos utilizan interacciones entre dos o más ondas, que necesitan propagarse en sincronía a medida que se mueven por el circuito. Si la longitud de onda es infinitamente larga, igualar la fase de las longitudes de onda de la luz no es un problema, ya que los campos ópticos son los mismos en todas partes.

Pero después del avance inicial de 2015, el equipo de investigación se encontró con una trampa 22. Debido a que el equipo usó prismas para probar si la luz del chip estaba realmente estirada infinitamente, todos los dispositivos se construyeron en forma de prisma. Pero los prismas no son formas particularmente útiles para circuitos integrados. El equipo quería desarrollar un dispositivo que pudiera conectarse directamente a los circuitos fotónicos existentes y, para eso, la forma más útil es un cable recto o una guía de ondas.

Los investigadores, dirigidos por Eric Mazur, el profesor de física Balkanski, construyó una guía de ondas pero, sin la ayuda de un prisma, no tenía una forma fácil de probar si tenía un índice de refracción de cero.

Luego, Los becarios postdoctorales Orad Reshef y Philip Camayd-Muñoz tuvieron una idea.

Generalmente, una longitud de onda de luz es demasiado pequeña y oscila demasiado rápido para medir algo que no sea un promedio. La única forma de ver realmente una longitud de onda es combinar dos ondas para crear interferencia.

Imagina cuerdas en una guitarra clavado a ambos lados. Cuando se toca una cuerda, la ola viaja a través de la cuerda, golpea el alfiler del otro lado y se refleja hacia atrás, creando dos ondas que se mueven en direcciones opuestas con la misma frecuencia. Este tipo de interferencia se llama onda estacionaria.

Reshef y Camayd-Muñoz aplicaron la misma idea a la luz en la guía de ondas. Ellos "inmovilizaron" la luz haciendo brillar rayos en direcciones opuestas a través del dispositivo para crear una onda estacionaria. Las ondas individuales todavía oscilaban rápidamente pero oscilaban a la misma frecuencia en direcciones opuestas, lo que significa que en ciertos puntos se cancelaron entre sí y en otros puntos se sumaron, creando un patrón completamente claro o completamente oscuro. Y, debido al material de índice cero, el equipo pudo estirar la longitud de onda lo suficiente para ver.

Esta puede ser la primera vez que se ve una onda estacionaria con longitudes de onda infinitamente largas.

"Pudimos observar una demostración impresionante de un índice de cero, "dijo Reshef, quien recientemente aceptó un puesto en la Universidad de Ottawa. "Al propagarse a través de un medio con un índice tan bajo, estas características de onda, que a la luz suelen ser demasiado pequeños para detectarlos directamente, están expandidos para que pueda verlos con un microscopio ordinario ".

"Esto agrega una herramienta importante a la caja de herramientas de fotónica de silicio, ", dijo Camayd-Muñoz." Hay física exótica en el régimen de índice cero, y ahora estamos trayendo eso a la fotónica integrada. Ese es un paso importante porque significa que podemos conectarnos directamente a dispositivos ópticos convencionales, y encontrar usos reales para los fenómenos de índice cero. En el futuro, Las computadoras cuánticas pueden estar basadas en redes de átomos excitados que se comunican a través de fotones. El rango de interacción de los átomos es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz. Haciendo grande la longitud de onda, podemos permitir interacciones de largo alcance para ampliar los dispositivos cuánticos ".