(PhysOrg.com) - Los investigadores han demostrado cómo las matrices de diminutas "nanoantenas plasmónicas" son capaces de manipular con precisión la luz de nuevas formas que podrían hacer posible una gama de innovaciones ópticas como microscopios más potentes, telecomunicaciones y computadoras.

Los investigadores de la Universidad de Purdue utilizaron las nanoantenas para cambiar abruptamente una propiedad de la luz llamada fase. La luz se transmite como ondas análogas a las ondas de agua, que tienen puntos altos y bajos. La fase define estos puntos altos y bajos de luz.

"Al cambiar abruptamente la fase, podemos modificar drásticamente la forma en que se propaga la luz, y eso abre la posibilidad de muchas aplicaciones potenciales, "dijo Vladimir Shalaev, director científico de nanofotónica en el Centro de Nanotecnología Birck de Purdue y profesor distinguido de ingeniería eléctrica e informática.

Los hallazgos se describen en un artículo que se publicará en línea el jueves (22 de diciembre) en la revista. Ciencias .

El nuevo trabajo en Purdue amplía los hallazgos de los investigadores dirigidos por Federico Capasso, el profesor Robert L. Wallace de Física Aplicada y el investigador principal Vinton Hayes en Ingeniería Eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard. En ese trabajo, descrito en un artículo científico de octubre, Los investigadores de Harvard modificaron la ley de Snell, una fórmula de larga data utilizada para describir cómo la luz se refleja y refracta, o se dobla, mientras pasa de un material a otro.

"Lo que señalaron fue revolucionario, "Dijo Shalaev.

Hasta ahora, La ley de Snell ha implicado que cuando la luz pasa de un material a otro no hay cambios de fase abruptos a lo largo de la interfaz entre los materiales. Investigadores de Harvard, sin embargo, realizaron experimentos que muestran que la fase de la luz y la dirección de propagación se pueden cambiar drásticamente mediante el uso de nuevos tipos de estructuras llamadas metamateriales, que en este caso se basaron en una serie de antenas.

Los investigadores de Purdue llevaron el trabajo un paso más allá, creando matrices de nanoantenas y cambiando la fase y la dirección de propagación de la luz en una amplia gama de luz infrarroja cercana. El documento fue escrito por los estudiantes de doctorado Xingjie Ni y Naresh K. Emani, el científico investigador principal Alexander V. Kildishev, profesora asistente Alexandra Boltasseva, y Shalaev.

El tamaño de la longitud de onda manipulada por las antenas en el experimento de Purdue varía de 1 a 1,9 micrones.

"El infrarrojo cercano, específicamente una longitud de onda de 1,5 micrones, es fundamental para las telecomunicaciones, ", Dijo Shalaev." La información se transmite a través de fibras ópticas utilizando esta longitud de onda, lo que hace que esta innovación sea potencialmente práctica para los avances en telecomunicaciones ".

Los investigadores de Harvard predijeron cómo modificar la ley de Snell y demostraron el principio en una longitud de onda.

"Hemos ampliado las aplicaciones del equipo de Harvard al infrarrojo cercano, lo cual es importante, y también demostramos que no es un efecto de frecuencia única, es un efecto de banda muy ancha, ", Dijo Shalaev." Tener un efecto de banda ancha ofrece potencialmente una gama de aplicaciones tecnológicas ".

La innovación podría traer tecnologías para dirigir y dar forma a los rayos láser para aplicaciones militares y de comunicaciones, nanocircuitos para computadoras que usan luz para procesar información, y nuevos tipos de lentes potentes para microscopios.

Crítico para el avance es la capacidad de alterar la luz para que exhiba un comportamiento "anómalo":en particular, se dobla de formas que no son posibles con materiales convencionales al alterar radicalmente su refracción, un proceso que ocurre como ondas electromagnéticas, incluida la luz, doblarse al pasar de un material a otro.

Los científicos miden esta curvatura de la radiación por su "índice de refracción". La refracción provoca el efecto de palo doblado en el agua, que ocurre cuando un palo colocado en un vaso de agua parece doblado cuando se mira desde el exterior. Cada material tiene su propio índice de refracción, que describe cuánta luz se doblará en ese material en particular. Todos los materiales naturales, como el vidrio, aire y agua, tienen índices de refracción positivos.

Sin embargo, las matrices de nanoantenas pueden hacer que la luz se doble en una amplia gama de ángulos, incluidos ángulos de refracción negativos.

"En tono rimbombante, Una desviación tan dramática de la ley de Snell convencional que gobierna la reflexión y la refracción ocurre cuando la luz pasa a través de estructuras que en realidad son mucho más delgadas que el ancho de las longitudes de onda de la luz. que no es posible con materiales naturales, "Shalaev dijo." Además, no solo el efecto de flexión, refracción, pero también el reflejo de la luz puede ser modificado dramáticamente por los arreglos de antenas en la interfaz, como mostraron los experimentos ".

Las nanoantenas son estructuras en forma de V hechas de oro y formadas sobre una capa de silicio. Son un ejemplo de metamateriales, que típicamente incluyen las llamadas estructuras plasmónicas que conducen nubes de electrones llamadas plasmones. Las antenas en sí tienen un ancho de 40 nanómetros, o mil millonésimas de metro, y los investigadores han demostrado que son capaces de transmitir luz a través de una "capa de nanoantena plasmónica" ultrafina, unas 50 veces más pequeña que la longitud de onda de la luz que está transmitiendo.

"Esta capa ultrafina de nanoantenas plasmónicas hace que la fase de la luz cambie fuerte y abruptamente, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " Shalaev said.