Un equipo internacional de investigadores de la Universidad ITMO, la Universidad Nacional de Australia, y la Universidad de Corea han atrapado experimentalmente una onda electromagnética en un nanoresonador de arseniuro de galio de unos cientos de nanómetros de tamaño durante un tiempo récord. Los intentos anteriores de atrapar la luz durante tanto tiempo solo han tenido éxito con resonadores mucho más grandes. Además, Los investigadores han proporcionado pruebas experimentales de que este resonador se puede utilizar como base para un nanoconvertidor de frecuencia de luz eficiente. Los resultados de esta investigación han despertado un gran interés entre la comunidad científica y fueron publicados en Ciencias , una de las revistas académicas más importantes del mundo. Los científicos han hecho sugerencias sobre oportunidades drásticamente nuevas para la óptica de sublongitud de onda y la nanofotónica, incluido el desarrollo de sensores compactos, dispositivos de visión nocturna, y tecnologías ópticas de transmisión de datos.

El problema de manipular las propiedades de las ondas electromagnéticas a nanoescala es de suma importancia en la física moderna. Usando luz, podemos transferir datos a largas distancias, registrar y leer datos, y realizar otras operaciones críticas para el procesamiento de datos. Para hacer esto, la luz debe quedar atrapada en un espacio pequeño y mantenerse allí durante un largo período de tiempo, que es algo que los físicos solo han logrado hacer con objetos de un tamaño significativo, más grande que la longitud de onda de la luz. Esto limita el uso de señales ópticas en optoelectrónica.

Hace dos años, un equipo de investigación internacional de la Universidad ITMO, la Universidad Nacional de Australia, y el Instituto Ioffe había predicho teóricamente un nuevo mecanismo que permite a los científicos atrapar la luz en resonadores en miniatura mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz y medidos en cientos de nanómetros. Sin embargo, hasta hace poco, nadie había implementado el mecanismo en la práctica.

Un equipo internacional de investigadores de la Universidad ITMO, la Universidad Nacional de Australia, y la Universidad de Corea se reunió para probar esta hipótesis. Primero, desarrollaron el concepto:se eligió arseniuro de galio como material clave, siendo un semiconductor con un alto índice de refracción y una fuerte respuesta no lineal en el rango del infrarrojo cercano. Los investigadores también decidieron cuál era la forma más óptima para el resonador que atraparía de manera eficiente la radiación electromagnética.

Para atrapar la luz de manera eficiente, el rayo debe reflejarse desde los límites internos del objeto tantas veces como sea posible sin escapar del resonador. Se podría suponer que la mejor solución sería hacer que el objeto fuera lo más complejo posible. Como una cuestión de hecho, es todo lo contrario:cuantos más planos tiene un cuerpo, lo más probable es que la luz se escape. La forma casi ideal para este caso era un cilindro, que posee el número mínimo de límites. Una cuestión que quedaba por resolver era qué relación entre el diámetro y la altura sería la más eficaz para atrapar la luz. Después de los cálculos matemáticos, la hipótesis tuvo que ser confirmada experimentalmente.

"Usamos arseniuro de galio para crear cilindros de alrededor de 700 nanómetros de altura y con diámetros variables cercanos a los 900 nanómetros. Son casi invisibles a simple vista. Como han demostrado nuestros experimentos, la partícula de referencia había capturado luz durante un tiempo superior a 200 veces el período de oscilación de una onda. Generalmente, para partículas de ese tamaño, la relación es de cinco a diez períodos de oscilaciones de onda. ¡Y obtuvimos 200! "dice Kirill Koshelev, el primer coautor del artículo.

Los científicos dividieron su estudio en dos partes:una es una confirmación experimental de la teoría expresada anteriormente, y el otro es un ejemplo de cómo podrían usarse tales resonadores. Por ejemplo, la trampa se ha utilizado para un nanodispositivo capaz de cambiar la frecuencia, y por tanto color, de una onda de luz. Al pasar por este resonador, el rayo infrarrojo se volvió rojo, haciéndose visible para el ojo humano.

La conversión de frecuencia de oscilaciones electromagnéticas no es la única aplicación de esta tecnología. También tiene aplicaciones potenciales en varios dispositivos de detección e incluso revestimientos de vidrio especiales que harían posible producir una visión nocturna colorida.

"Si el resonador puede atrapar la luz de manera eficiente, luego colocando, decir, una molécula a su lado aumentará la eficiencia de la interacción de la molécula con la luz en un orden de magnitud, y la presencia de incluso una molécula singular puede detectarse fácilmente de forma experimental. Este principio se puede utilizar en el desarrollo de biosensores de alta sensibilidad. Debido a la capacidad de los resonadores para modificar la longitud de onda de la luz, se pueden utilizar en dispositivos de visión nocturna. Después de todo, incluso en la oscuridad hay ondas infrarrojas electromagnéticas que el ojo humano no puede ver. Transformando su longitud de onda, pudimos ver en la oscuridad. Todo lo que necesita hacer es aplicar estos cilindros a las gafas o al parabrisas de un automóvil. Serían invisibles a los ojos, pero aún nos permitirían ver mucho mejor en la oscuridad de lo que podemos ver por nuestra cuenta. "explica Kirill Koshelev.

Además del arseniuro de galio, tales trampas se pueden fabricar utilizando otros dieléctricos o semiconductores, tal como, por ejemplo, silicio, que es el material más común en la microelectrónica moderna. También, la forma óptima para atrapar la luz, es decir, la relación entre el diámetro de un cilindro y su altura, se puede ampliar para crear trampas más grandes.