Liberando un nuevo potencial en confinamiento ligero utilizando nanocavidades

Un grupo de científicos ha redefinido los límites de la captura de luz e introducido un tipo innovador de cavidad polar, un importante paso adelante en el campo de la fotónica cuántica a nanoescala. Este logro pionero evita las limitaciones naturales de la nanofotónica al demostrar una forma inusual de confinar fotones, como se muestra en un estudio publicado en Materiales de la naturaleza.

Los físicos llevan mucho tiempo buscando formas de comprimir fotones en tamaños cada vez más compactos. La longitud de onda es una medida de la longitud natural de un fotón, y forzar al fotón a entrar en una cavidad mucho más pequeña que la longitud de onda lo hace más «enfocado». Esta concentración aumenta las interacciones con los electrones, mejorando los procesos cuánticos dentro de la cavidad.

A pesar del gran logro de confinar la luz en espacios profundos por debajo de la longitud de onda, la dispersión (absorción óptica) sigue siendo un serio desafío. Los fotones en las nanocavidades se absorben mucho más rápido que la longitud de onda, lo que limita su uso en algunas aplicaciones cuánticas prometedoras.

Para abordar esta dificultad, el equipo de investigación del profesor Frank Coppens del ICFO en Barcelona, ​​España, ha desarrollado nanocavidades que tienen una combinación incomparable de tamaño por debajo de la longitud de onda y larga vida útil. Estas nanocavidades, que tienen sólo 3 nanómetros de espesor y un área de menos de 100 x 100 nanómetros cuadrados, son capaces de atrapar la luz durante períodos de tiempo mucho más largos. El secreto consiste en explotar los polaritones de fonones hiperbólicos, que son excitaciones electromagnéticas especiales que se producen en el material de la cavidad 2D.

Este estudio utiliza una nueva técnica de confinamiento indirecto, en contraste con investigaciones anteriores sobre cavidades de polaritones de fonones. Utilizando un microscopio de haz de iones de enfoque intenso (2-3 nm), se graban nanoagujeros en un sustrato de oro para crear nanocavidades.

Una vez realizados los agujeros, se coloca encima un material 2D llamado nitruro de boro hexagonal (hBN). Los polaritones de fotones hiperbólicos, que son excitaciones electromagnéticas comparables a la luz ordinaria pero que pueden estar contenidos en pequeños volúmenes, funcionan con hBN.

Cuando los polaritones viajan sobre el borde del metal, se reflejan fuertemente, lo que les permite quedar atrapados. Este enfoque evita la manipulación directa de hBN y conserva su característica original, permitiendo fotones altamente confinados y de larga vida en la cavidad.

Este descubrimiento comenzó con una observación casual mientras se escaneaban estructuras de materiales 2D utilizando un microscopio óptico de campo cercano para un proyecto separado. Fue posible generar polaritones en la región del infrarrojo medio del espectro y medirlos usando un microscopio de campo cercano, y los investigadores vieron una reflectancia excepcionalmente alta de estos polaritones fuera del borde metálico.

Este sorprendente descubrimiento dio lugar a una investigación más exhaustiva, que reveló el mecanismo especial de confinamiento y su relación con la formación de nanorayos.

Sin embargo, después de crear y medir las cavidades, el equipo se encontró con una sorpresa sorprendente.

Las mediciones experimentales suelen ser peores de lo que sugiere la teoría, pero en este caso descubrimos que los experimentos superaron las predicciones teóricas simplistas y optimistas. 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.

Dr.. Hanan Herzig Chenfox, primera autora del estudio y profesora del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan

Durante su periodo postdoctoral en el ICFO, el Dr. Herzig Schenfox colaboró ​​con el profesor Coppens en el estudio. Su objetivo es aprovechar estas cavidades para ver eventos cuánticos que antes se creían imposibles, así como explorar la fascinante y paradójica física de la actividad hiperbólica de los polaritones de los fonones.

Referencia de la revista:

Shinfox, HH, et al. el. (2024) Nanocavidades de alta calidad mediante confinamiento multimodal de polaritones hiperbólicos en nitruro de boro hexagonal. Materiales de la naturaleza. doi:10.1038/s41563-023-01785-s.

fuente: https://www.biu.ac.il/en