Un equipo de investigación dirigido por científicos del Advanced Science Research Center en The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC), en colaboración con la Universidad Nacional de Singapur, Universidad de Texas en Austin y Universidad Monash, ha empleado conceptos de "twistronics" (la ciencia de superponer y retorcer materiales bidimensionales para controlar sus propiedades eléctricas) para manipular el flujo de luz de formas extremas. Los resultados, publicado en la revista Naturaleza , mantienen la promesa de avances a gran escala en una variedad de tecnologías impulsadas por la luz, incluidos los dispositivos de nano imágenes; alta velocidad, Ordenadores ópticos de bajo consumo energético; y biosensores.

El equipo se inspiró en el reciente descubrimiento de la superconductividad en un par de capas de grafeno apiladas que se rotaron al "ángulo de giro mágico" de 1,1 grados. En esta configuración, los electrones fluyen sin resistencia. Por separado, cada capa de grafeno no muestra propiedades eléctricas especiales. El descubrimiento ha demostrado cómo el control cuidadoso de las simetrías rotacionales puede revelar respuestas materiales inesperadas.

El equipo de investigación descubrió que se puede aplicar un principio análogo para manipular la luz de formas muy inusuales. En un ángulo de rotación específico entre dos capas ultrafinas de trióxido de molibdeno, los investigadores pudieron prevenir la difracción óptica y permitir la propagación robusta de la luz en un haz muy enfocado en las longitudes de onda deseadas.

Típicamente, la luz irradiada por un pequeño emisor colocado sobre una superficie plana se expande en círculos muy parecidos a las ondas excitadas por una piedra que cae en un estanque. En sus experimentos, los investigadores apilaron dos láminas delgadas de trióxido de molibdeno, un material típicamente utilizado en procesos químicos, y rotaron una de las capas con respecto a la otra. Cuando los materiales fueron excitados por un diminuto emisor óptico, observaron una emisión de luz ampliamente controlable sobre la superficie a medida que se variaba el ángulo de rotación. En particular, demostraron que en el ángulo de giro mágico fotónico, la bicapa configurada soporta robustos, Propagación de luz libre de difracción en haces de canal estrechamente enfocados en una amplia gama de longitudes de onda.

"Si bien los fotones, los cuantos de luz, tienen propiedades físicas muy diferentes a las de los electrones, nos ha intrigado el descubrimiento emergente de twistronics, y me he estado preguntando si los materiales bidimensionales retorcidos también pueden proporcionar propiedades de transporte inusuales para la luz, en beneficio de las tecnologías basadas en fotones, "dijo Andrea Alù, director fundador de la Iniciativa Fotónica de CUNY ASRC y profesor de Física Einstein en The Graduate Center. "Para dar a conocer este fenómeno, utilizamos capas delgadas de trióxido de molibdeno. Al apilar dos de estas capas una encima de la otra y controlar su rotación relativa, hemos observado un control espectacular de las propiedades de conducción de la luz. En el ángulo de la magia fotónica, la luz no difracta, y se propaga muy confinado a lo largo de líneas rectas. Esta es una característica ideal para las tecnologías fotónicas y nanociencia ".

"Nuestro descubrimiento se basó en un material y un rango de longitud de onda bastante específicos, pero con la nanofabricación avanzada podemos modelar muchas otras plataformas de materiales para replicar estas características ópticas inusuales en una amplia gama de longitudes de onda de luz, "dijo Guangwei Hu, estudiante de posgrado de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), quien es el primer autor del estudio y un investigador visitante a largo plazo con el grupo de Alù. "Nuestro estudio muestra que twistronics para fotones puede abrir oportunidades realmente interesantes para las tecnologías basadas en la luz, y estamos entusiasmados de seguir explorando estas oportunidades, "dijo el profesor C.W. Qiu, Co-asesor del Sr. Hu en NUS.