Con sus propiedades únicas de banda prohibida, los cristales fotónicos ofrecen una excelente plataforma para estudiar la propagación y localización de ondas. Estas bandas prohibidas, causadas por la estructura periódica del cristal, pueden controlar la propagación de las ondas e incluso inhibir completamente las ondas en ciertos rangos de frecuencia.

Tradicionalmente, se creía que los modos de frontera en los cristales fotónicos estaban fuertemente influenciados por el tamaño del cristal (número de sitios de la red). En general, se asumió que estos modos se limitan más fácilmente en sistemas grandes (con muchos sitios de red) ya que la probabilidad de formación de túneles disminuye significativamente al aumentar el tamaño del sistema. Este fenómeno es fundamental en el diseño e implementación de dispositivos fotónicos de alto rendimiento, particularmente en la búsqueda de una alta integración y miniaturización de dispositivos.

Además, en la investigación de cristales fotónicos, los estados ligados en el continuo (BIC) han atraído la atención ya que revelan que ciertos modos únicos pueden confinarse dentro de regiones específicas incluso en el espectro continuo. Este fenómeno proporciona una nueva perspectiva para comprender y controlar la localización de las ondas de luz. Muestra un gran potencial en aplicaciones prácticas, como la mejora del rendimiento y la eficiencia de dispositivos ópticos.

Nueva investigación publicada en Light:Science &Applications propone y confirma la existencia de estados limitados por barreras finitas. El espectro de un sistema normalmente consta de espectros continuos y discretos (panel izquierdo de la Fig. 1). La sabiduría convencional sostiene que el espectro de valores propios de los estados ligados es discreto, mientras que los estados libres forman un espectro continuo.

Por ejemplo, en los sistemas electrónicos, si la energía de la partícula es menor que la energía potencial en el infinito, el estado está limitado a un espectro discreto; mientras que las partículas con energía superior a la energía potencial se dispersan formando un espectro continuo.

Para las ondas de luz y sonido, se forman estados discretos debido a las condiciones de contorno impuestas por una barrera, como una "banda prohibida". Estos estados discretos se pueden localizar completamente en condiciones ideales (ancho de barrera infinito, Fig. 1-II). Sin embargo, cuando el ancho de la barrera es finito, existe la probabilidad de que el estado atraviese la barrera y se convierta en un estado resonante (Fig. 1-III).

En particular, los estados ligados en el continuo (BIC) están ligados espacialmente dentro del rango de energía/frecuencia del espectro continuo (Fig. 1-I). Este estudio introduce un concepto contrario a la intuición paralelo a los BIC:ciertos estados pueden unirse completamente en materiales de banda prohibida muy delgados, lo que los hace incapaces de atravesar el material de banda prohibida (Fig. 1-IV y 1-V).

El estudio demuestra primero una estructura de tira de cristal fotónico simétrica espejo especial donde la transición de los modos límite se puede controlar con precisión. Cuando el ancho del cristal fotónico (el número de sitios de la red a lo largo de la dirección y, N_y ) es pequeño, los modos límite en ambos lados interactúan y se dividen en modos pares e impares (Fig. 2 a–d).

En vectores de onda específicos (nodos), la fuerza de acoplamiento de los modos límite es cero. Incluso si el ancho (N_y ) del cristal fotónico es muy pequeño, el modo límite no puede saltar de un lado del cristal fotónico al otro (Fig. 2 e – f). Generalmente, se cree que se requieren muchos sitios de red para suprimir el acoplamiento de modos límite. Aún así, este estudio desafía esta visión y abre un nuevo método para manipular el comportamiento de los fotones a escala microscópica.

Siguiendo la configuración anterior, los investigadores eliminan un límite PEC del cristal fotónico, revelando una nueva configuración. Descubrieron que los modos límite restantes en vectores de onda nodales específicos están completamente atrapados, formando Estados Límites Habilitados por Barrera Finita en el Continuo (FBIC).

Estos FBIC exhiben propiedades no radiantes debido al desacoplamiento de los dos modos límite. En los nodos, donde la fuerza de acoplamiento de los modos límite es cero, existe un estado con un coeficiente de radiación de cero cuando se elimina un lado del PEC, y su frecuencia coincide con la frecuencia nodal encontrada en el escenario de doble PEC, identificándolo como un FBIC.

Además, al alterar el dieléctrico circular a elíptico para romper la simetría del espejo original e introducir un nuevo parámetro geométrico η, el estudio definió un número de devanado en el espacio de parámetros kx-η, revelando las características topológicas de los FBIC y confirmando estos modos como BIC ( Fig. 3 a–b).

Teniendo en cuenta la inevitable pérdida dieléctrica en frecuencias de microondas, el estudio validó experimentalmente los FBIC midiendo la atenuación de los modos límite (Fig. 3 c-d), demostrando una localización completa de los modos límite dentro de muy pocos sitios de red (N_y =2, 3, etc.), ofreciendo un enfoque novedoso para lograr BIC.

Este innovador estudio explora fenómenos físicos novedosos en cristales fotónicos y logra un control preciso de los modos límite. Este trabajo no solo proporciona una nueva comprensión teórica de los túneles y límites de los modos límite en cristales fotónicos, sino que también confirma la localización completa de los modos límite en vectores de onda específicos a través de experimentos de microondas, aportando una nueva perspectiva al campo de la fotónica.

La investigación revela nuevos métodos para manipular el comportamiento de los fotones, lo cual es importante para desarrollar dispositivos fotónicos altamente integrados. También ofrece nuevas estrategias para utilizar cristales fotónicos para mejorar las interacciones entre la luz y la materia, lo que podría conducir a avances en la óptica no lineal y en las interacciones entre la luz y los materiales bidimensionales. Estos hallazgos pueden inspirar futuras investigaciones, como la aplicación de estos principios a otros sistemas de ondas como los cristales fonónicos.