Brilla una linterna en el agua turbia de un estanque y el rayo no penetrará muy lejos. La absorción y la dispersión disminuyen rápidamente la intensidad del haz de luz, que pierde un porcentaje fijo de energía por unidad de distancia recorrida. Esa disminución, conocida como decaimiento exponencial, es válida para la luz que viaja a través de cualquier fluido o sólido que absorba y disperse fácilmente la energía electromagnética.

Pero eso no es lo que encontraron los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) cuando estudiaron un sistema de dispersión de luz en miniatura:una capa ultrafina de nitruro de silicio fabricada sobre un chip y grabada con una serie de ranuras periódicas estrechamente espaciadas. Las ranuras crean una rejilla, un dispositivo que dispersa diferentes colores de luz en diferentes ángulos, mientras que el nitruro de silicio actúa para confinar y guiar la luz entrante lo más lejos posible a lo largo de la longitud de 0,2 centímetros de la rejilla.

La rejilla dispersa la luz, la mayor parte hacia arriba, perpendicular al dispositivo, como lo hace el agua de un estanque. Y en la mayoría de sus experimentos, los científicos del NIST observaron precisamente eso. La intensidad de la luz se atenuó exponencialmente y solo pudo iluminar las primeras ranuras de la rejilla.

Sin embargo, cuando el equipo del NIST ajustó el ancho de las ranuras para que fueran casi iguales al espacio entre ellas, los científicos encontraron algo sorprendente. Si elegían cuidadosamente una longitud de onda específica de luz infrarroja, la intensidad de esa luz disminuía mucho más lentamente a medida que viajaba a lo largo de la rejilla. La intensidad disminuyó linealmente con la distancia recorrida en lugar de exponencialmente.

Los científicos estaban igual de intrigados por una propiedad de la luz infrarroja dispersada hacia arriba desde la rejilla. Cada vez que la intensidad de la luz a lo largo de la rejilla cambiaba de declinación exponencial a lineal, la luz dispersada hacia arriba formaba un amplio haz que tenía la misma intensidad en todas partes. Un haz de luz amplio de intensidad uniforme es una herramienta muy deseable para muchos experimentos que involucran nubes de átomos.

El ingeniero eléctrico e informático Sangsik Kim nunca había visto nada igual. Cuando observó por primera vez el comportamiento extraño en las simulaciones que realizó en el NIST en la primavera de 2017, él y el científico veterano del NIST, Vladimir Aksyuk, se preocuparon de que hubiera cometido un error. Pero dos semanas después, Kim observó el mismo efecto en experimentos de laboratorio utilizando rejillas de difracción reales.

Si la longitud de onda cambiaba aunque sea ligeramente o el espacio entre los surcos cambiaba solo una pequeña cantidad, el sistema volvía a caer exponencialmente.

El equipo del NIST tardó varios años en desarrollar una teoría que pudiera explicar el extraño fenómeno. Los investigadores descubrieron que tiene sus raíces en la compleja interacción entre la estructura de la rejilla, la luz que viaja hacia adelante, la luz dispersada hacia atrás por las ranuras de la rejilla y la luz dispersada hacia arriba. En algún momento crítico, conocido como el punto excepcional, todos estos factores conspiran para alterar drásticamente la pérdida de energía luminosa, cambiándola de exponencial a decaimiento lineal.

Los investigadores se sorprendieron al darse cuenta de que el fenómeno que observaron con la luz infrarroja es una propiedad universal de cualquier tipo de onda que viaja a través de una estructura periódica con pérdidas, ya sean ondas acústicas, de luz infrarroja o de radio.

El hallazgo puede permitir a los investigadores transmitir haces de luz de un dispositivo basado en un chip a otro sin perder tanta energía, lo que podría ser una gran ayuda para las comunicaciones ópticas. El haz amplio y uniforme esculpido por la punta excepcional también es ideal para estudiar una nube de átomos. La luz induce a los átomos a saltar de un nivel de energía a otro; su ancho e intensidad uniforme permite que el haz interrogue a los átomos que se mueven rápidamente durante un período de tiempo más largo. Medir con precisión la frecuencia de la luz emitida a medida que los átomos realizan dichas transiciones es un paso clave en la construcción de relojes atómicos de alta precisión y en la creación de sistemas de navegación precisos basados ​​en vapores atómicos atrapados.

De manera más general, dijo Aksyuk, el haz de luz uniforme hace posible integrar dispositivos fotónicos portátiles basados ​​en chips con experimentos ópticos a gran escala, reduciendo su tamaño y complejidad. Una vez que el haz de luz uniforme sondea un vapor atómico, por ejemplo, la información se puede enviar de vuelta al chip fotónico y procesarse allí.

Otra aplicación potencial es el monitoreo ambiental. Debido a que la transformación de absorción exponencial a lineal es repentina y exquisitamente sensible a la longitud de onda de la luz seleccionada, podría formar la base de un detector de alta precisión de trazas de contaminantes. Si un contaminante en la superficie cambia la longitud de onda de la luz en la rejilla, el punto excepcional desaparecerá abruptamente y la intensidad de la luz pasará rápidamente de una disminución lineal a exponencial, dijo Aksyuk.

Los investigadores, incluidos Aksyuk y Kim, que ahora están en la Universidad Tecnológica de Texas en Lubbock, informaron sus hallazgos en línea en la edición del 21 de abril de Nature Nanotechnology . + Explora más

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