"Este principio ofrece un nuevo enfoque para ralentizar los campos de luz y, por tanto, aumentar su intensidad. Implementar esto en un chip es especialmente importante para muchas aplicaciones", afirma el líder del grupo AMOLF, Ewold Verhagen.

Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista Nature Photonics. . Al mismo tiempo, un equipo de investigación de la Universidad Estatal de Pensilvania publicó un artículo en la misma revista sobre cómo demostraron, independientemente del equipo holandés, un efecto idéntico.

Manipular el flujo de luz en un material a pequeña escala es beneficioso para el desarrollo de chips nanofotónicos. En el caso de los electrones, dicha manipulación se puede realizar utilizando campos magnéticos; la fuerza de Lorentz dirige el movimiento de los electrones. Sin embargo, esto es imposible para los fotones porque no tienen carga.

Los investigadores del grupo de Fuerzas Fotónicas de AMOLF están buscando técnicas y materiales que les permitan aplicar fuerzas a fotones que se asemejen a los efectos de los campos magnéticos.

Electrones

"Nos inspiramos en la forma en que se comportan los electrones en los materiales. En un conductor, los electrones en principio pueden moverse libremente, pero un campo magnético externo puede detenerlo. El movimiento circular causado por el campo magnético detiene la conducción y, por lo tanto, los electrones pueden Sólo existen en el material si tienen energías muy específicas. Estos niveles de energía se llaman niveles de Landau y son característicos de los electrones en un campo magnético", dice Verhagen.

"Pero, en el material bidimensional grafeno, que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un cristal, estos niveles de Landau también pueden ser causados ​​por un mecanismo diferente al de un campo magnético. En general, el grafeno es un buen conductor electrónico. , pero esto cambia cuando el conjunto de cristales se deforma, por ejemplo estirándolo como si fuera elástico.

"Esta deformación mecánica detiene la conducción; el material se convierte en un aislante y, en consecuencia, los electrones se unen a los niveles de Landau. Por lo tanto, la deformación del grafeno tiene un efecto sobre los electrones en un material similar al de un campo magnético, incluso sin un imán. "Nos preguntaremos si un enfoque similar también funcionaría con fotones."

Cristal fotónico

En colaboración con Kobus Kuipers de la Universidad Tecnológica de Delft, el grupo de Verhagen demostró un efecto similar para la luz en un cristal fotónico.

"Un cristal fotónico normalmente consiste en un patrón regular (bidimensional) de agujeros en una capa de silicio. La luz puede moverse libremente en este material, al igual que los electrones en el grafeno", dice el primer autor René Barczyk, quien defendió con éxito su doctorado. tesis sobre este tema en 2023. "Romper esta regularidad exactamente de la manera correcta deformará la matriz y, en consecuencia, bloqueará los fotones. Así es como creamos niveles de Landau para los fotones".

En los niveles de Landau las ondas luminosas ya no se mueven; no fluyen a través del cristal sino que permanecen quietos. Los investigadores lograron demostrarlo y demostraron que la deformación de la matriz cristalina tiene sobre los fotones un efecto similar al que tiene un campo magnético sobre los electrones.

Verhagen dice:"Jugando con el patrón de deformación, incluso logramos establecer varios tipos de campos magnéticos efectivos en un material. Como resultado, los fotones pueden moverse a través de ciertas partes del material pero no en otras. Por lo tanto, estos conocimientos también proporcionan Nuevas formas de dirigir la luz sobre un chip."

Experimentos simultáneos

El trabajo de Verhagen y su equipo se inspiró en predicciones teóricas de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Columbia. Verhagen recuerda:"Cuando estábamos haciendo nuestras primeras mediciones, hablé con uno de los autores de este otro estudio. Cuando resultó que también estaban buscando evidencia experimental del efecto, decidimos no competir por ser los primeros". publicar sino enviar el trabajo simultáneamente al editor."

Si bien algunos detalles en el enfoque diferían, ambos equipos pudieron detener el movimiento de las ondas de luz y observar los niveles de Landau deformando un cristal fotónico bidimensional.

"Esto acerca las aplicaciones en chip", afirma Verhagen. "Si podemos confinar la luz a nanoescala y detenerla de esta manera, su intensidad aumentará enormemente. Y no sólo en un lugar, sino en toda la superficie del cristal. Esta concentración de luz es muy importante en los dispositivos nanofotónicos, por ejemplo ejemplo para el desarrollo de láseres eficientes o fuentes de luz cuánticas."