En un importante avance para la nanofotónica cuántica, un equipo de físicos europeos e israelíes ha introducido un nuevo tipo de cavidades polaritónicas y redefinido los límites del confinamiento de la luz. Este trabajo pionero, detallado en un estudio publicado en Nature Materials , demuestra un método no convencional para confinar fotones, superando las limitaciones tradicionales de la nanofotónica.
Los físicos llevan mucho tiempo buscando formas de forzar los fotones a ocupar volúmenes cada vez más pequeños. La escala de longitud natural del fotón es la longitud de onda y cuando un fotón es forzado a entrar en una cavidad mucho más pequeña que la longitud de onda, efectivamente se vuelve más "concentrado". Esta concentración mejora las interacciones con los electrones, amplificando los procesos cuánticos dentro de la cavidad.
Sin embargo, a pesar del importante éxito en confinar la luz en volúmenes profundos por debajo de la longitud de onda, el efecto de la disipación (absorción óptica) sigue siendo un obstáculo importante. Los fotones en las nanocavidades se absorben muy rápidamente, mucho más rápido que la longitud de onda, y esta disipación limita la aplicabilidad de las nanocavidades a algunas de las aplicaciones cuánticas más interesantes.
El grupo de investigación del Prof. Frank Koppens del ICFO en Barcelona, España, abordó este desafío creando nanocavidades con una combinación incomparable de volumen por debajo de la longitud de onda y vida útil prolongada. Estas nanocavidades, que miden menos de 100x100 nm² de área y solo 3 nm de grosor, confinan la luz durante períodos significativamente más largos. La clave radica en el uso de fonones-polaritones hiperbólicos, excitaciones electromagnéticas únicas que se producen en el material 2D que forma la cavidad.
A diferencia de estudios anteriores sobre cavidades basadas en polaritones de fonones, este trabajo utiliza un mecanismo de confinamiento nuevo e indirecto. Las nanocavidades se crean perforando agujeros a nanoescala en un sustrato de oro con la precisión extrema (2-3 nanómetros) de un microscopio de haz de iones enfocado en He. Después de hacer los agujeros, se transfiere encima nitruro de boro hexagonal (hBN), un material 2D.
El hBN soporta excitaciones electromagnéticas llamadas polaritones de fotones hiperbólicos que son similares a la luz ordinaria excepto que pueden confinarse a volúmenes extremadamente pequeños. Cuando los polaritones pasan por encima del borde del metal, experimentan un fuerte reflejo del mismo, lo que les permite quedar confinados. Por lo tanto, este método evita moldear el hBN directamente y preserva su calidad prístina, permitiendo fotones altamente confinados Y de larga vida en la cavidad.
Este descubrimiento comenzó con una observación casual realizada durante un proyecto diferente mientras se usaba un microscopio óptico de campo cercano para escanear estructuras de materiales 2D. El microscopio de campo cercano permite excitar y medir polaritones en el rango del infrarrojo medio del espectro y los investigadores notaron un reflejo inusualmente fuerte de estos polaritones en el borde metálico. Esta observación inesperada provocó una investigación más profunda, que condujo a la comprensión del mecanismo de confinamiento único y su relación con la formación de nanorayos.
Sin embargo, al hacer y medir las cavidades, el equipo se llevó una gran sorpresa. "Las mediciones experimentales suelen ser peores de lo que sugeriría la teoría, pero en este caso, descubrimos que los experimentos superaron las predicciones teóricas optimistas simplificadas", dijo el primer autor, el Dr. Hanan Herzig Sheinfux, del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan. "Este éxito inesperado abre las puertas a nuevas aplicaciones y avances en la fotónica cuántica, ampliando los límites de lo que pensábamos que era posible".
El Dr. Herzig Sheinfux realizó la investigación con el Prof. Koppens durante su período postdoctoral en el ICFO. Su intención es utilizar estas cavidades para ver efectos cuánticos que antes se consideraban imposibles, así como para estudiar más a fondo la física intrigante y contraintuitiva del comportamiento de los polaritones de fonones hiperbólicos.
Más información: Hanan Herzig Sheinfux et al, Nanocavidades de alta calidad mediante confinamiento multimodal de polaritones hiperbólicos en nitruro de boro hexagonal, Nature Materials (2024). doi:10.1038/s41563-023-01785-w, www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad Bar-Ilan
