Un equipo de investigación colaborativo codirigido por el profesor Shuang Zhang, jefe interino del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU), junto con el profesor Qing DAI del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de China, ha introducido una solución para un problema frecuente en el ámbito de la nanofotónica, que es el estudio de la luz a una escala extremadamente pequeña.
Sus hallazgos, publicados recientemente en Nature Materials , proponen un enfoque sintético de ondas de frecuencia complejas (CFW) para abordar la pérdida óptica en la propagación de polaritones.
Estos hallazgos ofrecen soluciones prácticas, como dispositivos basados en luz más eficientes para un almacenamiento y procesamiento de datos más rápido y compacto en dispositivos como chips de computadora y dispositivos de almacenamiento de datos, y una precisión mejorada en sensores, técnicas de imágenes y sistemas de seguridad.
Los polaritones de plasmón de superficie y los polaritones de fonón ofrecen ventajas como almacenamiento eficiente de energía, mejora del campo local y altas sensibilidades, beneficiándose de su capacidad para confinar la luz a pequeñas escalas. Sin embargo, sus aplicaciones prácticas se ven obstaculizadas por el problema de la pérdida óhmica, que provoca la disipación de energía al interactuar con materiales naturales.
Durante las últimas tres décadas, esta limitación ha impedido el progreso en nanofotónica para sensores, superimágenes y circuitos nanofotónicos. Superar la pérdida óhmica mejoraría significativamente el rendimiento del dispositivo, permitiendo avances en la tecnología de detección, imágenes de alta resolución y circuitos nanofotónicos avanzados.
El profesor Shuang Zhang, autor correspondiente del artículo, explicó el enfoque de la investigación:"Para abordar el desafío de la pérdida óptica en aplicaciones clave, hemos presentado una solución práctica. Al emplear una novedosa excitación de ondas complejas sintéticas, podemos lograr una ganancia virtual y contrarrestar la pérdida intrínseca del sistema de polaritones. Para validar este enfoque, lo aplicamos al sistema de propagación de polaritones de fonones y observamos una mejora significativa en la propagación de polaritones".
"Demostramos nuestro enfoque realizando experimentos utilizando material de fonones polariton, como hBN y MoO3 , en el rango de frecuencia óptica. Como era de esperar, obtuvimos una distancia de propagación casi sin pérdidas consistente con nuestras predicciones teóricas", añadió el Dr. Fuxin Guan, primer autor del artículo y becario postdoctoral en el Departamento de Física de HKU.
Enfoque multifrecuencia para superar la pérdida óptica
En esta investigación, el equipo desarrolló un novedoso enfoque de múltiples frecuencias para abordar la pérdida de energía en la propagación de polaritones. Utilizaron un tipo especial de onda llamada "ondas de frecuencia complejas" para lograr una ganancia virtual y compensar la pérdida en un sistema óptico. Mientras que una onda regular mantiene una amplitud o intensidad constante a lo largo del tiempo, una onda de frecuencia compleja exhibe oscilación y amplificación simultáneamente. Esta característica permite una representación más completa del comportamiento de las olas y permite compensar la pérdida de energía.
Si bien la frecuencia se percibe comúnmente como un número real, también puede tener una parte imaginaria. Esta parte imaginaria nos dice cómo la onda se vuelve más fuerte o más débil con el tiempo. Las ondas con una frecuencia compleja que presenta una parte imaginaria negativa (positiva) decaen (amplifican) con el tiempo. Sin embargo, realizar nuestras mediciones directamente bajo la excitación de ondas de frecuencia complejas en óptica es un desafío porque requiere mediciones complejas controladas por tiempo.
Para superar esto, los investigadores emplearon la herramienta matemática Transformación de Fourier para descomponer una onda de frecuencia compleja (CFW) truncada en múltiples componentes con frecuencias individuales.
Al igual que cuando estás cocinando y necesitas un ingrediente específico que es difícil de encontrar, los investigadores utilizaron una idea similar. Dividieron las ondas de frecuencia complejas en componentes más simples, como usar ingredientes sustitutos en una receta. Cada componente representaba un aspecto diferente de la ola. Es como crear un plato delicioso utilizando ingredientes sustitutos para conseguir el sabor deseado.
Midiendo estos componentes a diferentes frecuencias y combinando los datos, reconstruyeron el comportamiento del sistema iluminado por la onda de frecuencia compleja. Esto les ayudó a comprender y compensar la pérdida de energía. Este enfoque simplifica enormemente la implementación práctica de CFW en diferentes aplicaciones, incluida la propagación de polaritones y la superimagen.
Al realizar mediciones ópticas a diferentes frecuencias reales con un intervalo fijo, resulta factible construir la respuesta óptica del sistema a una frecuencia compleja. Esto se consigue combinando matemáticamente las respuestas ópticas obtenidas a diferentes frecuencias reales.
El profesor Qing Dai, del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología y otro autor correspondiente del artículo, afirmó que este trabajo ha proporcionado una solución práctica para abordar el problema de larga data de la pérdida óptica en la nanofotónica.
Destacó la importancia del método de frecuencia compleja sintetizada y afirmó que se puede aplicar fácilmente a otras aplicaciones como la detección molecular y los circuitos integrados nanofotónicos. Además, enfatizó que "este método es extraordinario y de aplicación universal, ya que también se puede utilizar para abordar la pérdida en otros sistemas de ondas, incluidas las ondas sonoras, las ondas elásticas y las ondas cuánticas, mejorando así la calidad de las imágenes a niveles sin precedentes". /P> 
Demostración experimental
Como prueba de concepto, el equipo comenzó con la propagación de polaritones de fonones (PhP) en frecuencias ópticas de aproximadamente 1450 cm -1 utilizando películas hBN. Se utiliza una larga antena dorada colocada sobre la película hBN para lanzar los PhP 1D. Las distribuciones de campo de las dos frecuencias reales y las dos frecuencias complejas se muestran en las figuras 2a y 2b, respectivamente.
Los resultados experimentales demuestran que mientras la propagación en las frecuencias reales sufre una fuerte atenuación, el polaritón en las frecuencias complejas casi no experimenta decaimiento a lo largo de la propagación.
El equipo aplicó además el enfoque de frecuencia compleja para investigar las distribuciones de campo más complicadas sustentadas por una fina película de cristal de van der Waals α-MoO3 , que es altamente anisotrópico y admite polaritones hiperbólicos naturales en el plano.
Se coloca una antena metálica como fuente de excitación en el α-MoO3 película como se muestra en la Fig. 3a. La variación de la distribución del campo exhibe un comportamiento de propagación hiperbólico característico con un frente de onda cóncavo (ver Fig. 3b).
Con el aumento de la frecuencia, la longitud de onda disminuye con un mayor confinamiento del campo y, mientras tanto, la propagación se vuelve más atenuada. Todos estos gráficos de frecuencia real se combinan de acuerdo con la relación de frecuencia compleja para obtener el resultado de frecuencia compleja en la Fig. 3c.
Finalmente, el equipo investigó el comportamiento de interferencia de los PhP utilizando el enfoque de frecuencia compleja. En el MoO3 se fabrican dos antenas circulares de diferentes diámetros. película para excitar los polaritones de fonones, como se muestra en la Fig. 3d.
Si bien los gráficos de frecuencia real no pueden mostrar franjas de interferencia claras, como se muestra en la Fig. 3e, los gráficos de frecuencia complejos de franjas de interferencia claras se pueden sintetizar después de combinar los resultados de diferentes frecuencias reales y como se muestra en la Fig. 3f.
Más información: Fuxin Guan et al, Compensación de pérdidas en la propagación de polaritones con excitación de frecuencia compleja sintetizada, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01787-8
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad de Hong Kong
