Investigadores del CIC nanoGUNE (San Sebastián, España) y colaboradores han informado en Ciencias el desarrollo de una denominada metasuperficie hiperbólica en la que la luz se propaga con obleas completamente remodeladas. Este logro científico hacia un control y una monitorización más precisos de la luz es muy interesante para miniaturizar dispositivos ópticos para la detección y el procesamiento de señales.

Las ondas ópticas que se propagan lejos de una fuente puntual suelen presentar frentes de onda circulares (convexos). "Como olas en la superficie del agua cuando se deja caer una piedra, "dice 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 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 frentes de onda abiertos (cóncavos), "explica Javier Alfaro, Doctor. estudiante de nanoGUNE y coautor del artículo. Estas ondas inusuales se denominan polaritones superficiales hiperbólicos. Debido a que se propagan solo en ciertas direcciones, y con longitudes de onda mucho más pequeñas que la de la luz en el espacio libre o guías de ondas estándar, podrían ayudar a miniaturizar los dispositivos ópticos para la detección y el procesamiento de señales.

Ahora, los investigadores han desarrollado tal metasuperficie para luz infrarroja. Está basado en nitruro de boro, un material 2-D similar al grafeno, que fue seleccionado debido a su capacidad para manipular la luz infrarroja en escalas de longitud extremadamente pequeñas. Esto tiene aplicaciones en sensores químicos miniaturizados o para la gestión 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, Doctor. estudiante en nanoGUNE, y Saül Vélez, ex investigador postdoctoral en nanoGUNE (ahora en ETH Zürich) dominó este desafío utilizando litografía por haz de electrones y 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 fabricación también se pueden aplicar a otros materiales, que podría allanar el camino para realizar estructuras de metasuperficies artificiales con propiedades ópticas personalizadas, ", añade Saül Vélez.

Para ver cómo se propagan las ondas a lo largo de la metasuperficie, Los investigadores utilizaron una técnica de nanoimagen infrarroja de última generación que fue pionera en el grupo de nanópticos de nanoGUNE. Primero colocaron una nanovarilla de oro infrarroja en la metasuperficie. "Juega el 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 dispersión (s-SNOM), los investigadores tomaron imágenes de las ondas. "Fue asombroso ver las imágenes. De hecho, mostraban la curvatura cóncava de los frentes de onda que se estaban propagando desde la nanovarilla de oro, exactamente como predice la teoría, "dice Rainer Hillenbrand, Profesor Ikerbasque en nanoGUNE, quien dirigió el trabajo.

Los resultados prometen que los materiales 2-D nanoestructurados se conviertan en una plataforma novedosa para dispositivos y circuitos de metasuperficies hiberbólicas. y demostrar además cómo se puede aplicar la microscopía de campo cercano para descubrir fenómenos ópticos exóticos en materiales anisotrópicos y para verificar nuevos principios de diseño de metasuperficies.