Ingeniería del flujo de luz

La estructura novedosa que se muestra en la ilustración fue diseñada para hacer una cosa:cambiar la forma de la luz a medida que se transporta. En un artículo reciente, la profesora Mercedeh Khajavikhan y su equipo mostraron cómo se puede hacer esto mediante el uso de un nuevo modelo teórico que podría tener profundas implicaciones para muchos aspectos de nuestras vidas.

La luz puede ser generada por láseres para imágenes y detección, pasar a través de cables de fibra óptica para comunicaciones avanzadas e integrarse en chips para aumentar las capacidades informáticas a un nivel que las 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 informático, comenzaron en la 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 teléfonos inteligentes, LiDAR e Internet de fibra, la fotónica ha cambiado nuestras vidas más de lo que la mayoría de la gente cree. Y aunque el campo existe desde hace más de un siglo, los investigadores todavía están avanzando hacia nuevas fronteras.

Una de estas fronteras se llama fotónica topológica. Combina la fotónica tradicional con la física topológica, un campo iniciado en parte por el ganador del Premio Nobel y ex profesor de la USC Duncan Haldane. La física topológica, el estudio matemático de las formas y su disposición en el espacio, se ha utilizado para explicar muchas propiedades interesantes de la electrónica y ha llevado al desarrollo de varios materiales y dispositivos nuevos. Ahora, al combinar la física topológica y la 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 llegar a un diseño que quieren explorar. Luego ejecutan simulaciones para comprender cómo los elementos de la estructura deben interactuar entre sí. Luego, diseñan las celdas individuales, los pequeños bloques de construcción que forman la estructura completa. Una vez que se completa el diseño de la celda, deben decidir cómo deben organizarse para formar la estructura. Finalmente, el diseño se lleva a una sala limpia de nanofabricación donde se construye el producto físico, de menos de 0,25 milímetros cuadrados. Lo que nos queda es una estructura totalmente única que da a la luz una forma novedosa cuando fluye. Esta nueva forma, a su vez, tiene nuevas cualidades, como una mejor pureza del láser y una mayor eficiencia.

Tan impresionante como es, Khajavikhan y su equipo decidieron ir aún más lejos. Y aquí es donde realmente entra en juego esa combinación de física y fotónica. Los materiales topológicos pueden exhibir sorprendentes nuevas propiedades de transporte, pero no se pueden cambiar fácilmente entre un estado "encendido" y "apagado". Piense en estas estructuras ligeras como un coche de carreras de última generación. Pueden moverse más rápido, girar con más fuerza y ​​hacer más que sus competidores. Pero si nunca puede apagar el automóvil una vez que haya encendido el motor, no es una pieza de maquinaria muy práctica.

Eso es exactamente lo que pudo hacer el equipo de la USC: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 también 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 caminos completamente nuevos para estudiar sistemas topológicos y planeamos diseñar más diseños que podrían cambiar el rostro de una gran cantidad de industrias, como las pantallas holográficas y los láseres de alta potencia", dijo Khajavikhan.