La luz se comporta de manera bastante dócil y predecible cuando interactúa con objetos cotidianos:viaja en línea recta, rebota cuando golpea superficies brillantes, y se dobla por las lentes. Pero comienzan a suceder cosas extrañas y maravillosas cuando la luz interactúa con objetos muy pequeños. Nanopartículas, por ejemplo, que son colecciones de átomos tan pequeños como un virus, puede actuar como mini-antenas, y pequeños discos de silicio pueden desencadenar extraños "modos" de luz que hacen que los discos sean invisibles.

En los últimos años ha surgido una nueva área de la óptica para estudiar estos extraños fenómenos. "Nanofotónica, una rama de la óptica que se ocupa de la luz en dimensiones de nanoescala, se ha convertido en un tema de investigación candente durante la última década, ", señala Arseniy Kuznetsov del A * STAR Data Storage Institute." Es muy prometedor para varias aplicaciones nuevas, que van desde la transmisión de información de alta velocidad y las tecnologías de visualización holográfica hasta la bioimagen y la secuenciación del genoma ". El equipo de Kuznetsov está liderando los desarrollos en un subcampo de la nanofotónica, lo que podría asegurar su amplia aplicación práctica.

Luz en escamas diminutas

Tradicionalmente, La nanofotónica se ha centrado en pequeñas estructuras metálicas como nanopartículas de oro y plata. El campo eléctrico oscilante de la luz hace que los electrones libres en los metales oscilen colectivamente. En ciertos tamaños de partículas, esto puede dar lugar a un efecto conocido como resonancia de plasmón superficial. La resonancia es un fenómeno general en el que un sistema muestra una respuesta mucho mayor en ciertas frecuencias, por ejemplo, un cantante de ópera puede hacer que una copa de vino se rompa cantando en el tono en el que resuena. La resonancia de plasmones de superficie se refiere al efecto de resonancia específico producido por los plasmones de superficie, que son una colección de oscilaciones cargadas, cuyo estudio se conoce como nanoplásmicos. Si bien es un área de investigación muy nueva, Los efectos nanoplásmicos se han explotado durante siglos:las vidrieras de las catedrales medievales deben su color a los plasmones superficiales excitados en nanopartículas metálicas incrustadas en el vidrio.

A pesar de las altas expectativas de la nanoplásmica en áreas como la tecnología de la información, seguridad, energía, almacenamiento de datos de alta densidad y ciencias de la vida, ha dado lugar a relativamente pocas aplicaciones prácticas. Una de las razones de este resultado decepcionante es que las nanoestructuras metálicas pierden mucha luz por absorción. "Una comprensión más profunda de estas resonancias ha traído una comprensión general de los principales inconvenientes relacionados con las inevitables pérdidas elevadas en nanoestructuras metálicas resonantes, "comenta Kuznetsov. Además, Los metales comúnmente utilizados para plasmónicos como la plata y el oro son incompatibles con los métodos estándar para fabricar componentes semiconductores. haciéndolos difíciles de producir.

Una revolución silenciosa

Pero ahora se está produciendo una revolución silenciosa en esta área. El enfoque se está alejando de los metales y hacia materiales eléctricamente aislantes y parcialmente aislantes conocidos como dieléctricos y semiconductores. que son 'ópticamente densos' de modo que la luz viaja considerablemente más lento en ellos que en el aire. Ejemplos de tales materiales incluyen los semiconductores de silicio, arseniuro de germanio y galio, y dióxido de titanio.

"El cambio de los metales a los dieléctricos ya está ocurriendo, ", dice Kuznetsov." Muchos equipos líderes en plasmónica ya han comenzado a trabajar con nanoestructuras dieléctricas resonantes ".

Aunque todavía está en su infancia, la transición ha revelado muchos beneficios. "Después de las demostraciones de resonancias en nanopartículas dieléctricas en 2012, el campo despegó, ", dice Kuznetsov." Ahora se han encontrado muchas ventajas sobre los plasmónicos convencionales ".

Liderando el camino

Kuznetsov y su equipo en A * STAR están a la vanguardia de esta revolución. Emplean un enfoque de tres frentes. "En muchos casos, generamos un concepto teórico, muéstrelo en simulaciones y luego demuéstrelo experimentalmente. Sin embargo, a veces ocurre el proceso inverso:las observaciones experimentales inesperadas conducen al desarrollo de la teoría para proporcionar su comprensión física, "explica Kuznetsov.

Los miembros del equipo se han dado cuenta de algunas novedades notables en este campo joven. El físico Boris Luk'yanchuk comenzó a rodar la pelota en 2010 cuando él y sus colegas en Alemania publicaron un artículo fundamental que mostraba que, teóricamente, Las nanopartículas de silicio con tamaños que oscilan entre 100 y 200 nanómetros pueden tener fuertes resonancias eléctricas y magnéticas a frecuencias de luz visible, una alternativa de baja pérdida a las nanoestructuras plasmónicas. En un artículo posterior, Luk'yanchuk, junto con investigadores en Australia, propuso nuevas estructuras híbridas de metal-dieléctrico donde la luz podría propagarse debido a interacciones de momentos magnéticos, lo cual no es posible en cadenas de partículas metálicas. Finalmente en 2015, el grupo A * STAR mostró que existen tipos similares de interacciones ópticamente inducidas de momentos magnéticos en cadenas de partículas de silicio. "Estas interacciones magnéticas de partículas de silicio pueden superar con creces a las guías de onda basadas en plasmónicos y fotónica de silicio convencional, "dice Luk'yanchuk.

Luk'yanchuk, Kuznetsov y su equipo han demostrado experimentalmente estas resonancias en nanopartículas de silicio. El equipo también fue el primero en mostrar experimentalmente la dispersión de luz direccional única por nanopartículas de silicio. lo que demuestra sus prometedoras propiedades de nanoantenas. Y los investigadores fueron los primeros en mostrar experimentalmente una gran mejora de los campos eléctricos y magnéticos de luz en las proximidades de antenas dieléctricas hechas de dos nanopartículas de silicio colocadas muy cerca una de la otra6.

Según Google Scholar, los artículos que describen estos hallazgos han sido citados más de 1, 000 veces, reflejando el enorme impacto que ha tenido el trabajo del equipo en el campo. Tal es su reputación en esta área que una revisión reciente que escribieron sobre el campo emergente fue publicada en la prestigiosa revista Ciencias .

En un estudio de 2015, el equipo, junto con investigadores de Australia y Alemania, demostró experimentalmente un efecto óptico muy inusual en discos de silicio a nanoescala:patrones de radiación que no emiten ni dispersan luz8. Tales modos de radiación podrían usarse para producir diminutos láseres a nanoescala. El equipo también ha demostrado cómo las matrices de tales discos de silicio pueden controlar con precisión la fase y la amplitud de la luz. obligándolo a doblarse, atención, o cree imágenes holográficas de alta resolución.

En 2016, el Instituto de Física de Singapur otorgó a Luk'yanchuk el Premio Mundial de Investigación Científica en Física y la Medalla de Oro por sus destacadas contribuciones a la investigación de la física en el país. Ese mismo año, Kuznetsov fue elegido como receptor del Premio de Investigación de Ingeniería A F Harvey de la Institución de Ingeniería y Tecnología por "sus destacadas contribuciones en el campo de los láseres y la optoelectrónica y su investigación pionera en una nueva rama de la nanofotónica:nanoestructuras dieléctricas de resonancia óptica y nanoantenas dieléctricas".

Un futuro brillante

El equipo está entusiasmado con el potencial de las nanoestructuras dieléctricas. "Esperamos que las nanoestructuras dieléctricas resonantes finalmente den lugar a aplicaciones de la vida real de la nanofotónica resonante, ", dice Kuznetsov. Ellos anticipan que muchas áreas de la tecnología podrían verse fuertemente afectadas por este desarrollo.

"Se podrían desarrollar pantallas holográficas tridimensionales para teléfonos inteligentes y dispositivos de realidad virtual y aumentada de alta resolución basados ​​en nanoantenas dieléctricas. Los sustratos que contienen nanopartículas dieléctricas resonantes podrían hacer que la bioimagen y la secuenciación del genoma sean más eficientes y rápidas. Y las computadoras rápidas basadas en la luz pueden aparecer con componentes de nanopartículas dieléctricas resonantes en el interior, ", dice Kuznetsov." Algunas de estas nuevas y sorprendentes aplicaciones pueden convertirse en realidad en los próximos 5 a 8 años, ", predice. Si bien la luz puede ser predecible a gran escala, el futuro parece todo menos dócil para esta tecnología emergente.