Dentro del cristal, la luz gira en círculos y los investigadores observaron, por primera vez, que forma bandas de energía discretas llamadas niveles de Landau, que son paralelos a un fenómeno bien conocido observado en los electrones.

Este hallazgo podría apuntar a nuevas formas de aumentar la interacción de la luz con la materia, un avance que tiene el potencial de mejorar las tecnologías fotónicas, como los láseres muy pequeños.

Este trabajo, dirigido por investigadores de Penn State, se basó en una predicción teórica anterior realizada por los miembros del equipo, el profesor de física de Penn State Mikael Rechtsman, el estudiante graduado de Penn State Jonathan Guglielmon y el matemático de la Universidad de Columbia Michael Weinstein.

El 23 de abril se publicó un artículo que describe los experimentos en la revista Nature Photonics. junto con otro artículo de un grupo separado de investigadores de los Países Bajos, dirigido por Ewold Verhagen, que observó de forma independiente el mismo fenómeno.

"Para las partículas cargadas como los electrones, hay mucha física interesante que resulta de sus interacciones con los campos magnéticos", dijo Rechtsman, líder del equipo de investigación. "Debido a esto, ha habido interés en emular esta física para los fotones, que no están cargados y, por lo tanto, no responden a los campos magnéticos."

Cuando los electrones confinados en una superficie bidimensional se exponen a un fuerte campo magnético, se mueven en órbitas circulares o "ciclotrón". El movimiento de estas órbitas se cuantifica:los electrones quedan limitados a ciertas energías discretas, que se denominan niveles de Landau.

"Los niveles de Landau son algo así como los niveles de energía de los orbitales de los electrones alrededor del núcleo de un átomo", dijo Rechtsman. "En un átomo, los niveles de energía resultan de la atracción de electrones cargados negativamente hacia el núcleo cargado positivamente, mientras que los niveles de Landau resultan de la interacción de los electrones con un campo magnético. Empleamos un método para emular un campo magnético, llamado campo pseudomagnético. campo, para obtener luz manipulando con precisión la estructura de un cristal fotónico."

El equipo de investigación crea estos cristales en pequeñas placas de silicio, similares a las que se utilizan para fabricar chips de computadora, en el Laboratorio de Nanofabricación del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. Crean una red de agujeros en forma de panal dentro de la losa de silicio, que tiene solo 1/1000 del grosor de un cabello humano.

Los investigadores iluminan con luz láser la losa que contiene el cristal y el patrón de red hace que parte de la luz rebote dentro del cristal. Luego, el equipo puede medir el espectro de la luz cuando sale del cristal. Para imitar los efectos de un campo magnético, los investigadores añaden una "tensión" al patrón de la red.

"Para la red libre, fabricamos una estructura de panal a partir de agujeros triangulares a nanoescala que se repite en todo el espacio en un patrón bidimensional", explicó Rechtsman. "Para añadir tensión, hicimos otra losa, pero deformamos el patrón. El nuevo patrón parece como si hubiéramos tirado hacia arriba en los dos lados, mientras que tiramos hacia abajo en el lado inferior".

Cuando los investigadores dirigen el láser hacia la red libre, la luz se distribuye uniformemente en el cristal. En la tensa red, la luz se mueve en círculos y el espectro de energía de la luz cambia, formando bandas discretas como los niveles de Landau. A diferencia de los niveles de Landau en los electrones, las bandas de energía no son planas. En cambio, son curvos, lo que, según los investigadores, se debe al patrón curvo en el cristal deformado.

"La naturaleza curva de las bandas se conoce como dispersión", dijo Rechtsman. "Para tratar de mitigar la dispersión, agregamos una tensión adicional al patrón. Esta tensión adicional, que actúa como un potencial pseudoeléctrico, contrarresta la dispersión, dándonos niveles de Landau de banda plana similares a los de los electrones". P>

Las bandas planas representan una concentración de fotones en ciertas energías discretas, lo que proporciona una vía para aumentar la interacción de la luz con la materia.

"Existen muchas aplicaciones en las que aumentar la interacción de la luz y la materia puede mejorar su función", dijo Rechtsman. "Cuando tienes bandas planas, eso significa que la luz permanece en un lugar por más tiempo, lo que significa que cualquier cosa que intentes hacer con la luz, puedes hacerlo de manera más eficiente. En este momento, estamos investigando si podemos utilizar este diseño para láseres más eficientes en chips fotónicos."