Harvard John A. Investigadores de la Escuela Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) han desarrollado un dispositivo compacto que puede controlar activamente cuándo la luz pasa a través de un “brazo”, también conocido como quiralidad óptica. Esto se logra girando ligeramente dos capas de cristal fotónico especialmente diseñadas.
El proyecto fue dirigido por Fan Du, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Eric Mazur, profesor Balkansky de Física y Física Aplicada. El equipo diseñó un cristal fotónico bicapa retorcido reconfigurable que se puede ajustar en tiempo real mediante un sistema microelectromecánico integrado (MEMS). Este avance podría permitir nuevas capacidades en detección quiral, comunicación óptica y fotónica cuántica.
“La quiralidad es muy importante en muchas áreas de la ciencia, desde la farmacéutica hasta la química, la biología y, por supuesto, la física y la fotónica”, dijo Mazur. “Al integrar cristales fotónicos retorcidos con MEMS, tenemos una plataforma que no sólo es robusta desde una perspectiva física sino también compatible con los métodos modernos de fabricación fotónica”.
Cristales fotónicos retorcidos y manipulación de la luz.
Los cristales fotónicos son materiales a nanoescala diseñados para controlar cómo se comporta la luz. Estas estructuras, lo suficientemente pequeñas como para caber en la punta de un alfiler, ya se utilizan en tecnologías de informática, detección y transmisión de datos de alta velocidad.
El grupo de Mazur amplió este campo aplicando ideas de twisttronics, un concepto que llamó la atención a través de la investigación sobre el grafeno bicapa retorcido. Al apilar dos capas estampadas de nitruro de silicio y girarlas entre sí, los investigadores pueden crear nuevas propiedades ópticas que no existen en una sola capa.
publicado en su investigación ópticoEl equipo demostró que esta estructura bicapa retorcida introduce naturalmente asimetría entre la izquierda y la derecha, lo que la hace muy eficaz para controlar la quiralidad de la luz. La quiralidad se refiere a objetos que no se pueden superponer a sus imágenes especulares, como las manos izquierda y derecha. En óptica, este concepto se aplica tanto a los materiales como a la luz, que pueden viajar en forma helicoidal.
La luz puede girar en el sentido de las agujas del reloj, lo que se conoce como polarización circular derecha, o en el sentido contrario a las agujas del reloj, lo que se conoce como polarización circular izquierda. Aunque estas diferencias son sutiles, desempeñan un papel importante en muchas aplicaciones científicas.
¿Por qué la quiralidad es importante en la ciencia?
Pequeñas diferencias en quiralidad pueden tener grandes consecuencias. En química y medicina, las moléculas que son imágenes especulares entre sí pueden comportarse de manera muy diferente en el cuerpo. Un ejemplo bien conocido es la talidomida, un fármaco de los años cincuenta. Una versión de la molécula ayudó a tratar las náuseas matutinas en mujeres embarazadas, mientras que su imagen especular provocó graves defectos de nacimiento.
Los científicos suelen utilizar luz quiral para estudiar este tipo de moléculas. Los equipos tradicionales, incluidas las placas onduladas y los polarizadores lineales, pueden detectar la polarización, pero tienen una potencia fija y un alcance limitado.
Dispositivos fotónicos sintonizables con control MEMS
El nuevo dispositivo de Harvard supera estas limitaciones al ser totalmente sintonizable. En lugar de depender de componentes estáticos, su respuesta a diferentes tipos de luz quiral se puede ajustar continuamente sin reemplazar ninguna pieza.
Esta flexibilidad proviene de su diseño bicapa. Cuando dos capas de cristal fotónico se acercan y se giran, la estructura se vuelve geométricamente quiral y es capaz de detectar la orientación de la luz entrante. Las fuertes interacciones entre capas conducen a un comportamiento de transmisión muy diferente para la luz polarizada circularmente hacia la izquierda y hacia la derecha bajo “incidencia normal”, o luz polarizada que incide perpendicularmente en la superficie.
Al utilizar el sistema MEMS para controlar con precisión tanto el ángulo de torsión como el espacio entre las capas, los investigadores demostraron que el dispositivo se puede ajustar con una selectividad casi perfecta al distinguir el brazo de luz.
Aplicaciones futuras en detección y comunicación.
El estudio describe una estrategia de diseño integral para fabricar cristales fotónicos bicapa retorcidos con quiralidad óptica controlable. Aunque el dispositivo actual sirve como prueba de concepto, apunta hacia aplicaciones prácticas.
Los sistemas futuros podrían usarse en detección quiral, donde los dispositivos se sintonizan para detectar moléculas específicas en diferentes longitudes de onda. También pueden servir como moduladores dinámicos de luz en sistemas de comunicación óptica, permitiendo un control preciso de la luz directamente en un chip.
El artículo, “Control dinámico de la quiralidad óptica intrínseca a través de un cristal fotónico integrado en MEMS”, fue coautor de Haoning Tang, Yifan Liu, Mingjie Zhang, Beicheng Lu, Guangqi Gao, Zhuang Li, Alcile Enriquez y Shanhui Fan.
