Crean un metamaterial que permite que las 'crestas' de la luz vayan infinitamente rápido

Los electrones son muy del siglo XX. En el siglo XXI, los dispositivos fotónicos, que utilizan la luz para el transporte de grandes cantidades de información de forma rápida, mejorarán o incluso sustituirán a los dispositivos electrónicos que son omnipresentes en nuestras vidas actuales. Pero hay un paso necesario antes de que las conexiones ópticas se puedan integrar en los sistemas de telecomunicaciones y ordenadores: los investigadores necesitan que sea más fácil manipular la luz a escala nanométrica.

Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard (Massachusetts, EE.UU.) han hecho precisamente eso, el diseño del primer metamaterial en-un-chip con un índice de refracción de cero, lo que significa que la fase de la luz puede viajar infinitamente rápido.

Este nuevo metamaterial fue desarrollado en el laboratorio de Eric Mazur, profesor de Física y Física Aplicada y Decano del Área de Física Aplicada de la escuela, y se describe en la revista Nature Photonics.

«A la luz no le gusta normalmente ser exprimida o manipulada, pero este metamaterial permite manipular la luz de un chip a otro, para exprimir, doblar, retorcer y ​​reducir el diámetro de un haz de la macroescala a la nanoescala», dice Mazur en la información de Harvard. «Es una nueva y notable forma de manipular la luz.»

Aunque esta velocidad infinitamente alta suena a que rompe la regla de la relatividad, no es así. Nada en el universo viaja más rápido que la luz llevando información, y Einstein sigue teniendo razón en eso. Pero la luz tiene una velocidad distinta, medida por la rapidez con que se mueven las crestas de una longitud de onda, conocida como velocidad de fase. Esta velocidad de la luz aumenta o disminuye en función del material a través del que se está moviendo.

Cuando la luz pasa a través del agua, por ejemplo, su velocidad de fase se reduce a medida que sus longitudes de onda se aprietan entre sí. Una vez que sale del agua, aumenta su velocidad de fase de nuevo a medida que se alarga su longitud de onda. Cuánto se ralentizan las crestas de una onda de luz en un material se expresa como una proporción llamada índice de refracción: cuanto mayor es el índice, más interfiere el material con la propagación de las crestas de las ondas de luz. El agua, por ejemplo, tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,3. Cuando el índice de refracción se reduce a cero, cosas realmente extrañas e interesantes comienzan a suceder. Índice cero

En un material de índice cero, no hay avance de fase, es decir, la luz ya no se comporta como una onda en movimiento, viajando a través del espacio en una serie de crestas y valles.

En lugar de ello, el material de índice cero crea una fase constante -todo cresta o todo valle- que se extiende en longitudes de onda infinitamente largas. Las crestas y valles oscilan sólo como una variable de tiempo, no del espacio.

Esta fase uniforme permite que la luz se alargue o deforme, tuerza o gire, sin perder energía. Un material de índice cero que quepa en un chip podría tener aplicaciones interesantes, especialmente en el mundo de la computación cuántica.

«Los circuitos fotónicos integrados se ven obstaculizados por el débil e ineficiente confinamiento de la energía óptica en las guías de onda estándar de silicio», dice Yang Li, becario postdoctoral en el grupo de Mazur y primer autor del artículo. «Este metamaterial de índice cero ofrece una solución para el confinamiento de la energía electromagnética en diferentes configuraciones de guía de onda debido a que su alta velocidad de fase interna produce una transmisión completa, independientemente de cómo esté configurado el material.»

El metamaterial se compone de matrices de pilares de silicio integradas en una matriz polimérica y revestidas con película de oro. Puede acoplarse a guías de onda de silicio para interactuar con chips y componentes fotónicos estándar integrados.

«En la óptica cuántica, la carencia de avance de fase permitiría a los emisores cuánticos de una cavidad o guía de onda de índice cero emitir fotones que siempre están en fase entre sí», dice Felipe Muñoz, estudiante de posgrado en el laboratorio de Mazur y coautor del artículo. «También podría mejorar el entrelazamiento entre bits cuánticos, ya que las ondas entrantes de luz se propagarían eficazmente y serían infinitamente largas, lo que permite que incluso partículas distantes se entrelacen.»

«Este metamaterial en-un-chip abre la puerta a la exploración de la física de índice cero y sus aplicaciones en óptica integrada», dice Mazur. Referencia bibliográfica:

Yang Li, Shota Kita, Philip Muñoz, Orad Reshef, Daryl I. Vulis, Mei Yin, Marko Lončar & Eric Mazur: On-chip zero-index metamaterials. Nature Photonics (2015). DOI: 10.1038/nphoton.2015.198.