Nueva forma de atrapar la luz

Este nuevo método podría conducirnos a nuevos tipos de láser y sensores.

La luz es confinada dentro de un bloque plano con arreglos de agujeros periódicos, aunque la luz, teóricamente, “tiene permiso” de escapar. Los colores azul y rojo indican superficies con campo eléctrico similar. (Crédito: Chia Wei Hsu)

Investigadores del MIT han descubierto un nuevo método para atrapar luz que podría tener una gran variedad de aplicaciones.

Sin embargo, el nuevo sistema, ideado a través de modelado de computadora y luego demostrado experimentalmente, opone unas ondas de luz a otras.

Coloca dos ondas de luz que tienen la misma longitud de onda pero con fases exactamente opuestas –cuando una onda tiene su pico más alto, la otra tiene su pico más bajo– por lo que se cancelan mutuamente. Mientras tanto, las ondas de luz de otras longitudes (o colores) pueden pasar libremente.

Los investigadores indican que este fenómeno podría aplicarse a cualquier tipo de onda: ondas de sonido, ondas de radio, electrones (cuyo comportamiento puede ser descrito con ecuaciones de onda) y también ondas de agua.

El descubrimiento fue reportado en la revista Nature por los profesores Marin Soljačić y John Joannopoulos, así como por los estudiantes  Chia Wei Hsu, Bo Zhen, Jeongwon Lee y Song-Liang Chua.

“Para muchos dispositivos que deseamos construir”, dice Soljačić –lo que incluye láser, celdas solares y fibra óptica– “requieres una manera de confinar la luz”. Esta acción ha sido a menudo lograda por medio de espejos de distintos tipos, incluyendo tanto los espejos tradicionales como espejos dieléctricos más avanzados, así como cristales fotónicos exóticos y dispositivos que utilizan un fenómeno llamado de Localización de Anderson. En todos los casos, el paso de la luz es bloqueado: en terminología física, no hay estados “permitidos” para que la luz siga su camino, por lo que se forza el reflejo.

En el nuevo sistema no se da ese caso. En su lugar, la luz de una longitud de onda particular se bloquea a través de interferencia destructiva de otras ondas que están precisamente fuera de fase. “Es una manera muy distinta de bloquear la luz”, indicó Soljačić.

Aunque podrían existir múltiples aplicaciones prácticas, en este momento el equipo se concentra en su descubrimiento de este fenómeno inesperado y nuevo. “Nuevos fenómenos físicos a menudo tienen muchas aplicaciones”, dijo Hsu. Entre estas aplicaciones posibles, sugiere, podrían estar láser de gran área y sensores biológicos o químicos.

Los investigadores primero investigaron la posibilidad de este fenómeno a través de simulaciones numéricas; su predicción fue verificada experimentalmente sólo después.

Esta investigación es “muy significativa, ya que representa un nuevo tipo de espejo que, en principio, tiene reflectividad perfecta”, dijo A. Douglas Stone, profesor de física en la Universidad de Yale. El descubrimiento, indica, “es sorprendente ya que se creía que las superficies de cristales fotónicos obedecían las leyes de refracción y reflexión” pero en este caso no es así.

Stone añade que “Este es en realidad una realización del famoso ‘estado ligado continuo’ propuesto por von Neumann y el físico teórico Eugene Wigner en los inicios de la teoría cuántica, pero de forma práctica, realizable. Las aplicaciones potenciales que mencionan los autores del estudio, desde los láser de alto poder hasta sensores químicos y biológicos, resultan emocionantes e intrigantes si llegan a fructificar”.

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