Circuitos nanofotónicos pueden revolucionar el procesamiento de datos

Un estudio realizado en un centro de investigaciones que cuenta con el apoyo de la FAPESP muestra que la luz logra transitar por estructuras nanométricas mucho menores que su longitud de onda al interactuar con los electrones libres de un metal

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El movimiento de los electrones carga información a través de los cables metálicos, pero su tasa de transmisión es limitada debido a las pérdidas que se producen en el trayecto. La adopción de la fibra óptica disminuyó esas pérdidas y viabilizó frecuencias de transmisión mucho más altas. La gran revolución en internet, producto de la banda ancha, que congregó a la telefonía, la radio y la televisión, solamente fue posible a escala masiva mediante la introducción de la fibra óptica. Y el reto actual consiste en reemplazar los circuitos electrónicos por circuitos ópticos para incrementar la velocidad del procesamiento de datos.

La dificultad para ello radica en que la radiación electromagnética por sí sola no logra atravesar estructuras menores que su longitud de onda, que es del orden de los micrones (10^-6 m), o ser transportada a través de ellas. “Una alternativa muy prometedora consiste en crear sistemas híbridos, basados en la interacción de la luz con iones. Nuestro estudio demostró que los iones, emisores cuánticos, logran interactuar con la luz a escala nanométrica a través de una estructura metálica”, dice el físico Euclydes Marega Júnior, docente del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en Brasil.

Este trabajo se concretó en el ámbito del Centro de Investigaciones en Óptica y Fotónica (CEPOF), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) de la FAPESP. También contó con financiación de la Fundación mediante el otorgamiento de una beca doctoral a Gaston Lozano Calderón, dirigido por Marega en su trabajo. Y sus resultados salieron publicados en la revista Scientific Reports.

“El fenómeno que observamos y narramos en el artículo muestra que los circuitos fotónicos a escala nanométrica pueden convertirse en realidad en un futuro relativamente cercano, con impactos en las actuales tecnologías y volviendo factible la transmisión y el procesamiento de información a escala nanométrica y en frecuencias del orden de los terahercios [10¹² Hz]. Esto podrá producir en el área del procesamiento una revolución equivalente a la que protagonizó la fotónica en el área de la transmisión de la información”, añade el profesor del IFSC-USP.

La onda de superficie

Este estudio hizo posible observar la interacción de la radiación electromagnética con iones de erbio en las cercanías de una estructura metálica sumamente pequeña compuesta por rendijas. La magnitud de la estructura era mucho menor que la longitud de onda de la luz. Por eso mismo, por sí sola, la radiación electromagnética no habría podido atravesarla. Pero esto se volvió posible merced a la interacción de la luz con electrones libres del metal para crear lo que se denomina “plasmón-polaritones de superficie”. Se trata de un tipo de onda de superficie con una longitud de onda más corta que la de la luz en la misma frecuencia.

La expresión “plasmón-polaritones de superficie” explica que la onda de superficie comprende tanto el movimiento de cargas en el metal (plasmones) como el de las ondas electromagnéticas en el aire o en el dieléctrico (polaritones). “La forma confinada es la que hace que la radiación electromagnética logre interactuar con objetos a esa escala de tamaño”, explica Marega.

Lejos de la estructura, el acoplamiento radiación-ion es débil. Pero en sus cercanías se observa un acoplamiento mucho más intenso, con la manifestación de nuevos fenómenos. Uno de ellos es la resonancia de Fano, que ocurre debido a la interacción entre dos sistemas cuánticos: el ion y el campo de radiación.

Este fenómeno se denomina así en alusión al físico ítalo-estadounidense Ugo Fano (1912-2001), quien, en el año 1961, suministró una explicación teórica sobre el patrón de dispersión de los electrones de helio. Pero este fenómeno ya habría sido mencionado anteriormente por el también italiano Ettore Majorana (1906-?), considerado uno de los mayores genios de la historia de la ciencia, quien desapareció misteriosamente a los 31 años sin dejar rastros.

Marega subraya que el estudio referido se inserta en un campo cada vez mayor de investigación: el de la nanofotónica, que se enfoca en fenómenos que suceden a una escala de tamaño intermedia, entre el nivel atómico y el fotónico. Tal como ya se ha mencionado, sus aplicaciones tecnológicas son sumamente prometedoras.

Aparte del IFSC-USP, participaron en esta investigación científicos vinculados a otras dos instituciones brasileñas –la Universidad Federal de Piauí (UFPI) y la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar)–, una canadiense (la Universidad Laval) y una peruana (la Universidad Nacional Mayor de San Marcos).

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Demonstration of multiple quantum interference and Fano resonance realization in far-field from plasmonic nanostructure in ER³⁺ doped tellurite glass en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-022-08858-x.pdf.