_{Rainer Hillenbrand y Martin Schnell en el laboratorio de nanoGUNE en el que se ha llevado a cabo el experimento}

Los materiales hiperbólicos son sólidos muy especiales que se comportan como un metal en una dirección, dejando pasar la corriente, pero como un aislante en la dirección perpendicular. Hasta ahora, estos materiales han sido usados para fabricar nanoestructuras complejas que permiten la proyección de imágenes en longitudes de onda muy bajas, así como controlar la luz a escala nanométrica. Sin embargo, a fin de obtener todo el potencial de este nuevo tipo de materiales, es necesario estudiar y entender cómo se comporta la luz en su interior.

“La dificultad de los experimentos realizados consiste en la extremadamente corta longitud de onda de la luz cuando está dentro de un material hiperbólico”, explica el investigador Ikerbasque Rainer Hillenbrand, líder del grupo de Nanoóptica de nanoGUNE. “Cuando la luz está dentro de este tipo de material —en nuestro caso, el nitruro de boro—, viaja como algo que se conoce como un polariton, donde la luz se acopla a las vibraciones propias del material”

Estos polaritones se comportan como una espada de doble filo. Por un lado, comprimen la luz en volúmenes muy pequeños. Esto es útil para una amplia gama de aplicaciones que requieren la manipulación de la luz en espacios muy pequeños, como la detección y la identificación de moléculas individuales. Por otro lado, este enorme confinamiento requiere del desarrollo de técnicas especiales para observar su comportamiento.

Espacio y tiempo

Edward Yoxall, que llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE junto con Martin Schnell, profundiza: “Debido a que la longitud de onda de un polariton es tan pequeña, no podemos utilizar los equipos de óptica “convencionales”, tales como las lentes y las cámaras, para obtener imágenes. Tenemos que utilizar un microscopio especial que es capaz de ver los detalles 1000 veces más pequeños que un microscopio de infrarrojos estándar”. Este microscopio visualiza “objetos” de tan sólo 10 nanómetros.

"“Pero no sólo es la resolución espacial la que hace que el seguimiento de polaritones sea un trabajo complicado” continúa Yoxall. “Si queremos observar cómo se mueve un polariton, tenemos que verlo en el espacio y en el tiempo. Esto se puede hacer mediante la emisión de destellos muy cortos de luz o pulsos, de una duración de tan solo 100 femtoseguntos (menos de una millonésima de una millonésima de segundo)”. Mediante el uso de estos destellos en combinación con un microscopio de campo cercano, los investigadores son capaces de observar los polaritones pasando por diferentes lugares a lo largo del nitruro de boro, lo que permite medir su velocidad.

Utilizando la información de espacio y tiempo que se recoge durante el experimento, los científicos dedujeron exactamente el recorrido del polariton y observaron algunos comportamientos intrigantes. "Hemos observado que la luz es más lenta en este material y que, además, puede viajar a 'contracorriente', es decir, que las ondas del polariton pueden viajar en dirección opuesta a su flujo de energía", subraya Hillenbrand.

“Sin duda uno de los resultados más interesantes es la velocidad a la que se mueve el polariton”, dice Yoxall. “Hay un gran interés en el estudio de la luz lenta, y lo que nosotros hemos mostrado en este trabajo es una nueva forma de conseguirla”. La luz lenta en estructuras fotónicas convencionales posee un gran potencial de aplicación en tecnologías de detección y comunicación, debido a la mejora de la interacción luz-materia. El enorme confinamiento de la luz al que se llega en estos materiales hiperbólicos podría ayudar a miniaturizar los dispositivos.

Las investigación con nanoluz (cien veces más pequeña que el grosor de un cabello humano) se ha desarrollado considerablemente en los últimos años gracias a la utilización de nanomateriales estructurados en láminas como el grafeno, el nitruro de boro o el trióxido de molibdeno: los llamados materiales van der Waals.

Uno de los principales inconvenientes de las aplicaciones tecnológicas de esta nanoluz es la limitación de las gamas de frecuencias características de cada material. Pero ahora, un equipo internacional ha propuesto un novedoso método que permite ampliar significativamente esta gama de frecuencias de trabajo de los polaritones en los materiales de van der Waals. El método consiste en la intercalación de átomos alcalinos y alcalinotérreos, como el sodio, el calcio o el litio, en la estructura laminar del material de pentaóxido de van der Waals, lo que permite modificar sus enlaces atómicos y, por consiguiente, sus propiedades ópticas.

Teniendo en cuenta que una gran variedad de iones y contenedores de iones pueden intercalarse en materiales laminados, cabe esperar una respuesta espectral a la demanda de polaritones de fonones en los materiales de van der Waals, que con el tiempo cubrirá todo el rango del infrarrojo medio, algo crítico para el campo emergente de la fotónica de polaritones de fonones.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Materials, permitirá avanzar en el desarrollo de tecnologías fotónicas compactas, como los sensores biológicos de alta sensibilidad o las tecnologías de la información y las comunicaciones a nanoescala.

Andreas Seifert, Profesor Ikerbasque en nanoGUNE ha inaugurado la Conferencia Internacional sobre MEMS Ópticos y Nanofotónica (International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics – OMN 2024), que reúne a expertos y expertas mundiales en el campo de la óptica y la nanofotónica.