Entender cómo manipular eficientemente la luz en la nanoescala. Éste es el hallazgo de un equipo internacional liderado por la Universidad de Oviedo y el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (CINN) del CSIC en El Entrego, que además ha diseñado una nanolente con aplicaciones en la computación óptica o en el desarrollo de biosensores extremadamente compactos y planos.
El grupo demuestra, tanto teórica como experimentalmente, que el fenómeno de refracción de nanoluz entre dos nanomateriales anisótropos (irregulares) puede presentar propiedades exóticas como la propagación a lo largo de direcciones no intuitivas, así como un tamaño extremadamente pequeño de las ondas refractadas. En cuanto a la nanolente, se trata de la primera lente plana de nanoluz anisótropa con el que focalizar la nanoluz en volúmenes mucho más pequeños que su longitud de onda, lo que se conoce como hiperfocalizado o hiperlente. El desarrollo de esta lente tiene aplicaciones en la biodetección, el aprovechamiento de energía, la química o el procesado de la información.
Junto a la Universidad de Oviedo y el CINN, también han colaborado en esta iniciativa el Donostia International Physics Center (DIPC) y el CIC nanoGUNE, ambos en San Sebastián; el Moscow Institute of Physics and Technology de Rusia, la Universidad Tecnológica de Dinamarca y la Universidad de Kansas (EE UU). Los resultados han sido publicados en la revista “Natura Communications”.
Este grupo de científicos liderado por la Universidad de Oviedo y el CINN han conseguido desentrañar aspectos fundamentales de la refracción de nanoluz en medios altamente anisótropos. Para ello han utilizado muestras de un material bidimensional: el trióxido de molibdeno. Aparte de su interés desde un punto de vista fundamental para entender cómo manipular eficientemente la luz en la nanoescala, estos hallazgos suponen un avance significativo con aplicaciones en computación óptica o en el desarrollo de biosensores extremadamente compactos y planos.
Basándose en estos hallazgos, los investigadores han diseñado un novedoso elemento óptico de dimensiones nanométricas: una lente plana de nanoluz anisótropa. Mediante este elemento, han conseguido focalizar la nanoluz en volúmenes mucho más pequeños que su longitud de onda (tamaño de la nanoluz), lo que se conoce como hiperfocalizado o hiperlente. Estas nuevas capacidades para controlar la propagación de la nanoluz abren posibilidades apasionantes en multitud de aplicaciones, desde el campo de la biodetección al aprovechamiento de energía, pasando por la química, la seguridad o el procesado de información.
“Fue algo totalmente inesperado ser capaces de visualizar tan nítidamente el fenómeno de refracción anómala de nanoluz en nanomateriales altamente anisótropos”, afirma Jiahua Duan, investigador postdoctoral en el grupo de Nanoóptica Cuántica de la Universidad de Oviedo y primer autor principal del trabajo de investigación Por su parte, Pablo Alonso-González, líder del grupo de investigación y del trabajo, asegura que el hallazgo “abre la puerta a un control de la nanoluz sin precedentes”. Javier Martín, investigador Ramón y Cajal en el grupo de Nano-óptica Cuántica, asegura que “los resultados tienen un gran potencial para integrar dispositivos ópticos planos en la nanoescala, dado que la dirección de propagación de la nanoluz puede ser controlada eficientemente mediante el uso de elementos ópticos nanométricos”.
Para entender este hallazgo hay que remontarse a la refracción de la luz, que explica el cambio de dirección y de velocidad que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Las gafas y lentillas, los microscopios y telescopios, o algo tan cotidiano como que un lápiz introducido en un vaso de agua parece torcido cuando se observa desde el exterior, tienen su origen en el fenómeno óptico de refracción. El desarrollo de dispositivos más compactos y eficientes energéticamente requiere controlar la propagación de la luz en la nanoescala.
Una de las principales alternativas para ello es el estudio de los polaritones, unas ondas electromagnéticas que se excitan al iluminar ciertos materiales y se propagan sobre su superficie de forma análoga a las olas en el mar. En los llamados materiales bidimensionales, cuyo espesor puede llegar a ser nanométrico, es decir, 100.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, como el grafeno, el nitruro de boro, o el trióxido de molibdeno, el tamaño de estas ondas puede llegar a ser de decenas de nanómetros, convirtiéndose en una suerte de nanoluz. Este hecho es muy prometedor para desarrollar nuevos circuitos y tecnologías ópticas de tamaño nanométrico, que abrirían la puerta a multitud de aplicaciones en comunicaciones, seguridad y sensores biológicos.
Fenómenos fundamentales
El estudio de esta nanoluz, implica, entre otras cosas, entender fenómenos ópticos fundamentales, tales como la reflexión o la refracción, y aprender a explotarlos en estas dimensiones tan diminutas. En particular, los estudios sobre nanoluz llevados a cabo hasta la fecha se han centrado en su mayoría en el uso de nanomateriales isótropos, es decir, aquellos en los que la luz se propaga de igual manera a lo largo de todas las direcciones del espacio, como, por ejemplo, el grafeno. Por el contrario, en los nanomateriales anisótropos la propagación de la luz no ocurre de la misma manera a lo largo de diferentes direcciones espaciales, lo cual ofrece interesantes oportunidades para controlar la luz de forma direccional y su explotación en futuras tecnologías fotónicas.
