Propagació de la llum en forma d'ona

Investigadors del CIC nanoGUNE en col·laboració amb el Donostia International Physics Center (Donosti, Espanya) i la Kansas State University han informat a Science del desenvolupament de l'anomenada metástasis hiperbòlica sobre la qual es propaga la llum amb wafefronts. Aquest assoliment científic permet un control més precís de la llum i ho fa molt interessant per als dispositius òptics de miniaturització per a la detecció i el processament del senyal.

Les ones òptiques que es propaguen lluny d'una font, solen mostrar fronts d'ones circulars (convexes), com les ones a la superfície de l'aigua quan es deixa caure una pedra.
Els científics van predir teòricament que les superfícies específicament estructurades poden convertir els fronts d'ones de la llum al revés de quan es propaga al llarg d'ells. En aquestes superfícies, anomenades superfícies metabòliques hiperbòliques, les ones emeses des d'una font de punts es propaguen només en certes direccions, i amb fronts d'ones obertes (còncaves). Aquestes ones inusuals s'anomenen polaritons superfícials hiperbòlics. Com que només es propaguen en determinades direccions i amb longituds d'ona molt inferiors a la de la llum en espai lliure o guies d'ona estàndard, podrien ajudar a miniaturitzar dispositius òptics de detecció i processament de senyals.

Ara, els investigadors han desenvolupat una metasurfina per a la llum infraroja. Està basada en nitrur de bor, un material 2-D de grafit, que es va seleccionar per la seva capacitat per manipular la llum infraroja en escales de longitud extremadament petita. Això té aplicacions en sensors químics miniaturitzats o per a la gestió de calor en dispositius optoelectrònics a escala nanomètrica. Els investigadors van observar les fronteres d'ones cóncaves amb un microscopi òptic especial.

Les metasuperfícies hiperbòliques són difícils de fabricar, perquè es requereix una estructuració extremadament precisa a escala nanomètrica. Irene Dolado, Ph.D. estudiant a nanoGUNE i Saül Vélez, ex investigador postdoctoral de nanoGUNE (ara a ETH Zürich), va dominar aquest repte mitjançant la litografia de feix d'electrons i l'encunyat de flocs prims de nitrur de bor de gran qualitat proporcionada per la Kansas State University. Després de diversos passos d'optimització, es va aconseguir la precisió requerida, de manera que s'han obtingut estructures de xarxa amb mides de buits tan petites com 25 nm. Els mateixos mètodes de fabricació també es poden aplicar a altres materials, que podrien ajudar a realitzar estructures de superfície metafòrica artificials amb propietats òptiques.

Els resultats prometen materials nanoestructurats en 2D per convertir-se en una nova plataforma per a dispositius i circuits amb superfícies metabòliques i demostrar com es pot aplicar la microscòpia a prop del camp per donar a conèixer fenomens òptics exòtics en materials anisòtrops i per verificar nous principis de disseny de la superfície.

Font: Elhuyar Fundation