Un equipo de investigación internacional ha encontrado una manera de hacer que la conversión de frecuencia de la luz a nanoescala sea 100 veces más eficiente. El nuevo método se basa en nanopartículas dieléctricas aisladas que soportan los llamados estados ligados en el continuo. Tales estados aparecen cuando los campos radiantes en la partícula se suprimen entre sí, de modo que la energía electromagnética dentro de la partícula pueda quedar atrapada. Esta predicción se puede emplear para una nueva generación de diminutos dispositivos de conversión de frecuencia llamados nanoláseres. La investigación fue publicada en Cartas de revisión física el 19 de julio 2018.

Uno de los problemas clave de la nanofotónica no lineal es la conversión de frecuencia de la radiación electromagnética a nanoescala. Al cambiar la frecuencia, la radiación se puede convertir de una banda espectral a otra:de terahercios a infrarrojos, y de infrarrojos a visibles. Esta transformación puede llevarse a cabo de forma eficaz mediante dispositivos macroscópicos, pero es un desafío lograr la conversión de frecuencia a nanoescala.

La interacción de las nanopartículas con la luz es bastante especial debido a su tamaño muy pequeño. Por lo tanto, para aumentar la eficiencia de la conversión de frecuencia de la luz a nanoescala, Es necesario reducir las pérdidas de energía durante los procesos clave que ocurren en la nanopartícula:entrada de radiación, confinamiento de energía, y conversión no lineal.

Para resolver todos estos problemas, un equipo internacional de físicos de la Universidad ITMO, Centro de Física No Lineal de la Universidad Nacional de Australia, y la Universidad de Brescia en Italia propuso utilizar nuevos resonadores a nanoescala. Son, en esencia, Nanopartículas dieléctricas en forma de disco con un alto índice de refracción que soportan los llamados estados ligados en el continuo. Tales estados pueden crearse cuando varios tipos de oscilaciones de energía electromagnética en la partícula se suprimen mutuamente. De este modo, la energía de la luz se puede "bloquear" dentro de la partícula.

Matemáticamente, la energía se puede bloquear para siempre, siempre que los resonadores sean absolutamente ideales. En la práctica, es posible atrapar la luz por un finito, todavía bastante tiempo, incluso en una sola nanopartícula. Esto requiere una proporción óptima de la forma de las partículas, Talla, y material.

"Aunque describimos anteriormente nanoresonadores dieléctricos tan peculiares, todavía no hemos analizado sus perspectivas prácticas. Ahora, junto con nuestros colegas italianos Dr. Luca Carletti y el profesor Constantino De Angelis, calculamos cómo este resonador genera la luz con doble frecuencia. Los resultados muestran que esta estructura ayuda a incrementar la eficiencia de los procesos no lineales en dos órdenes de magnitud. Sin embargo, esto no fue tan fácil, ya que teníamos que encontrar la forma óptima de bombear la energía al resonador. Descubrimos que en nuestro caso, la onda incidente tuvo que ser polarizada de manera que oscile a lo largo de la tangente al círculo. Esto coincide con la estructura del campo electromagnético dentro de la partícula, "dice Kirill Koshelev, miembro del Laboratorio Internacional de Metamateriales de la Universidad ITMO.

Como resultado, el equipo de investigación logró alcanzar una eficiencia récord de duplicación de la frecuencia de la luz con nanopartículas dieléctricas. Ahora, en lugar de una centésima parte de un porcentaje, es posible ahorrar hasta varios por ciento de la energía luminosa durante la conversión. Este resultado allana el camino para la detección experimental de radiación convertida por una nanopartícula, lo que significa que el método propuesto se puede utilizar en aplicaciones prácticas.

"Hemos sugerido un diseño de convertidores de luz a nanoescala que se pueden utilizar para diversas aplicaciones. Por ejemplo, Se pueden utilizar en dispositivos de óptica plana de visión nocturna que convierten la radiación infrarroja en luz visible. Al mismo tiempo, el material dieléctrico que elegimos, arseniuro de aluminio-galio, tiene tecnología de fabricación madura. Dado que el material está ampliamente disponible, esperamos que nuestra idea y nuestras predicciones impulsen el progreso adicional en nanofotónica no lineal y metaóptica, "dice el profesor Yuri Kivshar, copresidente del Departamento de Nanofotónica y Metamateriales de la Universidad ITMO y también Profesor Distinguido de la Universidad Nacional de Australia.