Científicos estudian la interacción de la luz y el sonido en estructuras fotónicas

Los efectos resultantes de la interacción de la luz con los movimientos mecánicos podrán influir en el desarrollo futuro de procesadores, dispositivos electrónicos y redes de comunicaciones

Por Heitor Shimizu, desde Nueva York (EE.UU.)  |  Agência FAPESP – La dispersión de Brillouin –un fenómeno que debe su nombre al físico francés Léon Brillouin (1889-1969)– se produce cuando ondas de luz y vibraciones mecánicas interaccionan dentro de un material. Se observa cuando los fotones –las partículas elementales de la fuerza electromagnética (o, grosso modo, las partículas de luz)– inciden sobre un medio material emitiendo o absorbiendo fonones, que constituyen la energía vibratoria resultante de la oscilación colectiva de los átomos. 

En telecomunicaciones por fibra óptica, la dispersión de Brillouin es uno de los factores que limitan la información transmitida, especialmente en líneas de comunicación de larga distancia, en donde algunos milivatios de potencia son suficientes como para que los fotones regresen a la fuente emisora en lugar de seguir adelante hasta el receptor.

Científicos del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) de la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil, han venido estudiando éste y otros efectos optomecánicos –resultantes de la interacción de la luz con los movimientos mecánicos– con el objetivo de lograr manipularlos. 

Thiago Pedro Mayer Alegre, docente del Departamento de Física Aplicada de dicho instituto, es uno de los investigadores principales de este grupo de científicos y disertó sobre la interacción entre la luz y el sonido en las estructuras fotónicas durante la FAPESP Week New York, realizada por la FAPESP junto a la City University of New York (CUNY) y el Wilson Center entre los días 26 y 28 de noviembre en el Graduate Center de la CUNY. 

“El aumento del confinamiento que suministran las estructuras físicas puede emplearse para afinar o reforzar el acoplamiento dinámico entre fotones, electrones y fonones. En las estructuras fotónicas, esta mejora hace posible diversas funcionalidades nuevas, tales como alterar el color de la luz en efectos no lineales, generar señales de radiofrecuencia, suprimir la dispersión estimulada de la luz y manipular los modos mesoscópicos de los fonones”, dijo Mayer Alegre. En la física de la materia condensada, la física mesoscópica describe fenómenos que suceden a una escala intermedia entre lo macroscópico y lo microscópico.

Según Meyer Alegre, en cualquiera de estas funcionalidades se requiere de un gran control sobre el diseño y sobre la fabricación de la microestructura que moldea los espectros ópticos y acústicos de los fonones, como así también de su interacción. 

“Hemos obtenido resultados sumamente importantes en la investigación, en el diseño y en la fabricación de guías de ondas [estructuras que conducen ondas, tales como las ondas electromagnéticas o las ondas sonoras] nanométricas y cavidades optomecánicas que puedan ampliar o suprimir estas interacciones”, dijo. 

La fotónica tiene aplicaciones en las más diversas áreas, tales como energía, manufactura, robótica, displays (de smartphones, por ejemplo), salud y comunicaciones. Los primeros dispositivos desarrollados con base en los principios de la fotónica fueron los diodos semiconductores emisores de luz, durante la década de 1960, y la fibra óptica con bajísima atenuación, en la década posterior.

Con el apoyo de la FAPESP, Meyer Alegre y sus colegas desarrollaron un nuevo tipo de dispositivo optomecánico que se vale de un disco de silicio microscópico para confinar ondas ópticas y mecánicas. Este nuevo dispositivo es compatible con los procesos de fabricación comercial y puede constituir una solución tendiente a mejorar los sensores que detectan fuerza y movimiento. El mismo aparece descrito en un artículo publicado en la revista Optics Express. 

“La forma en que diseñamos el dispositivo permite aumentar los niveles de interacción entre las ondas de luz y mecánicas que lo atraviesan. De este modo, este dispositivo podrá tener tanto aplicaciones prácticas como servir de apoyo en nuestra investigación básica, al ayudarnos a responder algunas preguntas, como por ejemplo qué sucede en la transición entre el mundo microscópico cuántico y el mundo macroscópico clásico”, declaró Meyer Alegre a Agência FAPESP. 

El dispositivo que crearon los investigadores, basado en un disco de silicio de 24 micrones de diámetro y apoyado sobre un pedestal central de dióxido de silicio para que el disco vibre, tiene un formato similar a un blanco de dardos, con ranuras circulares concéntricas nanométricas. Este formato permite confinar las ondas de luz y mecánicas en el dispositivo mediante el empleo de mecanismos separados (lea más en: agencia.fapesp.br/24826).

Los científicos del IFGW-Unicamp también desarrollaron teóricamente un dispositivo fotónico de silicio que podrá viabilizar la interacción entre ondas ópticas y mecánicas que vibran en el rango de las decenas de gigahercios (GHz). Este dispositivo, producto de los proyectos intitulados “Nanofotónica en semiconductores de los grupos IV y III-V”  y “Optomecánica en cristales fotónicos y fonónicos”, ambos con el apoyo de la FAPESP, aparece descrito en un artículo publicado en la revista Scientific Reports.

Mediante simulaciones computacionales, los investigadores propusieron un dispositivo para explotar la dispersión Brillouin que podría emplearse en microchips fotónicos (lea más en: http://agencia.fapesp.br/25148).

Metamateriales

Andrea Alu, director del Advanced Science Research Center (ASRC) del CUNY Graduate Center, disertó durante la FAPESP Week New York sobre investigaciones que lleva adelante su grupo con la mira puesta en el control de la luz en metamateriales. Se trata de materiales artificiales modificados de tal modo que adquieren propiedades que no existen en su forma natural.

“Tenemos un programa completo y ambicioso de investigación básica destinado a introducir y desarrollar nuevas ideas y conceptos revolucionarios que permitan modelar, diseñar, analizar, fabricar y caracterizar metamateriales para la próxima generación de sistemas electromagnéticos y fotónicos integrados”, dijo. 

Los investigadores del ASRC emplean nuevas herramientas teóricas (que incluyen métodos analíticos y numéricos), técnicas de fabricación de objetos a escala nanométrica, materiales bidimensionales, avances en la física fundamental de la interacción de la luz y la materia en metamateriales y en optomecánica. 

“El estudio de la luz a nanoescala se ha convertido en un campo vibrante de la investigación científica, en la medida en que los científicos ahora dominan el flujo de la luz a escalas de longitud situadas muy por debajo de la longitud de onda óptica, superando así los limites clásicos impuestos por la difracción”, dijo Alu. 

Sepa más sobre la FAPESP Week New York en: www.fapesp.br/week2018/newyork.