Revolucionando el transporte de luz: Nuevo modelo allana el camino para óptica avanzada

La novedosa estructura mostrada en la ilustración fue diseñada para hacer una cosa: cambiar la forma de la luz mientras se transporta. En un artículo reciente, la Profesora Mercedeh Khajavikhan y su equipo mostraron cómo esto puede hacerse usando un nuevo modelo teórico que podría tener implicaciones profundas para muchos aspectos de nuestras vidas.

La luz puede ser generada por láseres para imagen y sensado, pasar por cables de fibra óptica para comunicaciones avanzadas, y construirse en chips para aumentar capacidades computacionales a un nivel que generaciones anteriores no podrían haber soñado. Aunque cada uno de estos avances puede haber terminado con un nuevo dispositivo construido por un ingeniero mecánico, astronáutico, biomédico o de computadoras, todos comenzaron en fotónica.

Las partículas de luz tienden a moverse como ondas, y la fotónica es la ciencia de aprovechar esas ondas. Desde experimentos de vanguardia de comunicación cuántica con fotones entrelazados, hasta tecnologías cotidianas como pantallas de smartphones, LiDAR e internet de fibra, la fotónica ha cambiado nuestras vidas más de lo que la mayoría de la gente se da cuenta. Y aunque el campo lleva más de un siglo, los investigadores siguen explorando nuevas fronteras.

Una de estas fronteras se llama fotónica topológica. Combina la fotónica tradicional con la física topológica —un campo pionero en parte por el ganador del Premio Nobel y ex profesor de USC Duncan Haldane. La física topológica —el estudio matemático de formas y su disposición en el espacio— se ha usado para explicar muchas propiedades interesantes en electrónica y ha llevado al desarrollo de varios nuevos materiales y dispositivos. Ahora, al combinar física topológica y fotónica, los investigadores pueden diseñar estructuras de luz aún más creativas y nunca antes vistas.

Entonces, ¿qué tiene de especial esta nueva estructura y cómo la construyeron? El equipo primero usa la física topológica para idear un diseño que quieren explorar. Luego ejecutan simulaciones para entender cómo los elementos en la estructura deben interactuar entre sí. Luego, diseñan las celdas individuales —los pequeños bloques de construcción que componen toda la estructura. Una vez que el diseño de la celda está completo, deben decidir cómo deben organizarse juntas para formar la estructura. Finalmente, el diseño se lleva a una sala limpia de nanofabricación donde el producto físico —menos de 0,25 mm² de tamaño— se construye. Lo que queda es una estructura totalmente única que forma la luz en una forma novedosa cuando fluye a través de ella. Esta nueva forma, a su vez, tiene nuevas cualidades, como mayor pureza de láser y mayor eficiencia.

Tan impresionante como eso es, Khajavikhan y su equipo decidieron ir aún más lejos. Y aquí es donde esa combinación de física y fotónica realmente entra en juego. Los materiales topológicos pueden exhibir increíbles nuevas propiedades de transporte, pero no pueden conmutar fácilmente entre un estado «encendido» y «apagado». Piense en estas estructuras de luz como un coche de carreras de última generación. Pueden moverse más rápido, girar más fuerte y hacer más que sus competidores. Pero si no puede apagar el coche una vez que ha arrancado el motor, no es una pieza de maquinaria muy práctica.

Eso es exactamente lo que el equipo de USC logró —controlar esta nueva luz. Introdujeron una técnica de sistemas fotónicos llamada «bombeo óptico» para dar a las propiedades topológicas de la estructura la capacidad de encenderse y apagarse. La capacidad de controlar no solo la forma de la luz, sino cuándo y cómo fluye a través de un sistema es de suma importancia.

Para los investigadores, el trabajo en esta nueva estructura es solo el comienzo. «Nuestros hallazgos abren avenidas completamente nuevas para estudiar sistemas topológicos y planeamos diseñar más diseños que podrían cambiar la cara de toda una serie de industrias como pantallas holográficas y láseres de alta potencia», dijo Khajavikhan.