Un equipo internacional, codirigido por investigadores del Instituto Nacional de Grafeno (NGI) de la Universidad de Manchester en el Reino Unido y la Facultad de Ingeniería de Penn State en los EE. UU., ha desarrollado una plataforma sintonizable basada en grafeno que permite un control preciso sobre la interacción. entre la luz y la materia en el espectro de terahercios (THz) para revelar fenómenos raros conocidos como puntos excepcionales. El equipo publicó sus resultados hoy en Science .

El trabajo podría hacer avanzar las tecnologías optoelectrónicas para generar, controlar y detectar mejor la luz y, potencialmente, las comunicaciones, según los investigadores. Demostraron una forma de controlar las ondas THz, que existen en frecuencias entre las de las microondas y las ondas infrarrojas. La hazaña podría contribuir al desarrollo de tecnología inalámbrica 'más allá de 5G' para redes de comunicación de alta velocidad.

Interacciones débiles y fuertes

La luz y la materia pueden acoplarse, interactuando en diferentes niveles:débilmente, donde pueden estar correlacionados pero no cambian los constituyentes del otro; o fuertemente, donde sus interacciones pueden cambiar fundamentalmente el sistema. La capacidad de controlar cómo el acoplamiento cambia de débil a fuerte y viceversa ha sido un desafío importante para el avance de los dispositivos optoelectrónicos, un desafío que los investigadores ahora han resuelto.

"Hemos demostrado una nueva clase de dispositivos optoelectrónicos utilizando conceptos de topología, una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de los objetos geométricos", dijo el coautor correspondiente Coskun Kocabas, profesor de materiales de dispositivos 2D en la Universidad de Manchester. "Usando singularidades puntuales excepcionales, demostramos que los conceptos topológicos se pueden usar para diseñar dispositivos optoelectrónicos que permiten nuevas formas de manipular la luz de terahercios".

Kocabas también está afiliado al Instituto Henry Royce de Materiales Avanzados, con sede en Manchester.

Los puntos excepcionales son singularidades espectrales, puntos en los que se unen dos valores espectrales en un sistema abierto. Son, como era de esperar, excepcionalmente sensibles y responden incluso a los cambios más pequeños en el sistema, revelando características curiosas pero deseables, según el coautor Şahin K. Özdemir, profesor asociado de ingeniería y mecánica en Penn State.

"En un momento excepcional, el panorama energético del sistema se modifica considerablemente, lo que da como resultado una dimensionalidad reducida y una topología sesgada", dijo Özdemir, quien también está afiliado al Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. "Esto, a su vez, mejora la respuesta del sistema a las perturbaciones, modifica la densidad local de estados que conducen a la mejora de las tasas de emisión espontánea y conduce a una plétora de fenómenos. El control de puntos excepcionales y los procesos físicos que ocurren en ellos, podría conducen a aplicaciones para mejores sensores, imágenes, láseres y mucho más".

Composición de la plataforma

La plataforma que desarrollaron los investigadores consiste en un resonador de THz sintonizable basado en grafeno, con un electrodo de compuerta de lámina de oro que forma un espejo reflectante inferior. Encima, una capa de grafeno está rematada con electrodos, formando un espejo superior sintonizable. Una capa de electrolito líquido iónico no volátil se encuentra entre los espejos, lo que permite controlar la reflectividad del espejo superior al cambiar el voltaje aplicado. En el medio del dispositivo, entre los espejos, hay moléculas de alfa lactosa, un azúcar que se encuentra comúnmente en la leche.

El sistema está controlado por dos ajustadores. Uno levanta el espejo inferior para cambiar la longitud de la cavidad, ajustando la frecuencia de resonancia para acoplar la luz con los modos de vibración colectivos de las moléculas de azúcar orgánica, que sirven como un número fijo de osciladores para el sistema. El otro ajustador cambia el voltaje aplicado al espejo de grafeno superior, alterando las propiedades reflectantes del grafeno para hacer la transición de los desequilibrios de pérdida de energía para ajustar la fuerza de acoplamiento. El ajuste delicado y fino cambia la luz de terahercios débilmente acoplada y las moléculas orgánicas para que se acoplen fuertemente y viceversa.

"Los puntos excepcionales coinciden con el punto de cruce entre los regímenes de acoplamiento débil y fuerte de la luz de terahercios con vibraciones moleculares colectivas", dijo Özdemir.

Señaló que estos puntos de singularidad suelen estudiarse y observarse en el acoplamiento de modos o sistemas análogos, como dos modos ópticos, modos electrónicos o modos acústicos.

"Este trabajo es uno de los raros casos en los que se demuestra que surgen puntos excepcionales en el acoplamiento de dos modos con diferentes orígenes físicos", dijo Kocabas. "Debido a la topología de los puntos excepcionales, observamos una modulación significativa en la magnitud y la fase de la luz de terahercios, que podría encontrar aplicaciones en las comunicaciones de THz de próxima generación".

Modulación de fase sin precedentes en el espectro THz

A medida que los investigadores aplican voltaje y ajustan la resonancia, llevan el sistema a un punto excepcional y más allá. Antes, en y más allá del punto excepcional, las propiedades geométricas (la topología) del sistema cambian.

Uno de esos cambios es la modulación de fase, que describe cómo cambia una onda a medida que se propaga e interactúa en el campo de THz. Controlar la fase y la amplitud de las ondas THz es un desafío tecnológico, dijeron los investigadores, pero su plataforma demuestra niveles sin precedentes de modulación de fase. Los investigadores movieron el sistema a través de puntos excepcionales, así como a lo largo de bucles alrededor de puntos excepcionales en diferentes direcciones, y midieron cómo respondía a los cambios. Dependiendo de la topología del sistema en el punto de medición, la modulación de fase podría variar de cero a cuatro magnitudes mayores.

"Podemos dirigir eléctricamente el dispositivo a través de un punto excepcional, lo que permite el control eléctrico en la topología de reflexión", dijo el primer autor M. Said Ergoktas. "Solo controlando electrónicamente la topología del sistema podríamos lograr estas enormes modulaciones".

Según los investigadores, el control topológico de las interacciones luz-materia alrededor de un punto excepcional habilitado por la plataforma basada en grafeno tiene aplicaciones potenciales que van desde dispositivos topológicos optoelectrónicos y cuánticos hasta el control topológico de procesos físicos y químicos. + Explora más

Los científicos desarrollan una superficie 'excepcional' para explorar la física exótica