Durante décadas, miniaturizar dispositivos fotónicos ha sido mucho más difícil que miniaturizar componentes electrónicos. El desafío se reduce a la física. La luz no puede limitarse fácilmente a un área muy pequeña porque el principio de incertidumbre vincula su confinamiento a su longitud de onda. En la luz visible y en el infrarrojo cercano, esa longitud de onda puede ser miles de veces mayor que la longitud de onda de De Broglie utilizada en los circuitos electrónicos. Como resultado, los chips fotónicos siguen siendo relativamente voluminosos y los sistemas de imágenes ópticas se han enfrentado a límites estrictos de resolución.
Los científicos exploraron previamente los plasmónicos como una posible solución. Este método utiliza metales para comprimir la luz en áreas más pequeñas que su longitud de onda. Sin embargo, los metales generan una cantidad significativa de calor mediante la disipación de energía, lo que crea un obstáculo importante para las tecnologías fotónicas eficientes y escalables.
En 2024, investigadores dirigidos por Ren-Min Ma de la Universidad de Pekín en China introdujeron un gran avance (la naturaleza 632, 287-293 (2024)). El equipo desarrolló lo que llamaron la ecuación de dispersión singular, un nuevo marco teórico que muestra que la luz se puede confinar en escalas notablemente pequeñas utilizando materiales dieléctricos sin pérdidas en lugar de metales. Debido a que el método se basa completamente en dieléctricos, evita las pérdidas térmicas que limitan los sistemas plasmónicos y podría ayudar a allanar el camino para dispositivos fotónicos compactos y energéticamente eficientes.
Descubrimiento de la función de onda “en forma de narval”
En un artículo recientemente publicado ÉliteEl mismo equipo de investigación explica el origen de este confinamiento lumínico extremo. Según los investigadores, esto surge de una clase completamente nueva de modos propios electromagnéticos conocidos como funciones de onda en forma de Narhull.
Este modo inusual combina dos comportamientos importantes. Cerca de la singularidad, el campo electromagnético experimenta una mejora de la ley de potencia local. A distancias mayores, el campo decae rápidamente a través de una desintegración exponencial global. Juntas, estas propiedades permiten que la luz se condense y comprima más allá de los límites físicos tradicionales.
Utilizando este concepto, el equipo diseñó y demostró experimentalmente un resonador dieléctrico único tridimensional capaz de confinar la luz por debajo del límite de dispersión en tres dimensiones espaciales.
Confinamiento ligero récord
Los investigadores utilizaron mediciones de escaneo de campo cercano para observar directamente en acción la función de onda en forma de narval. Sus mediciones muestran claramente que el crecimiento de la ley de potencias previsto está más cerca de la unidad y el decaimiento exponencial más lejos.
Las observaciones experimentales coincidieron estrechamente tanto con las predicciones teóricas como con las simulaciones 3D completas. El sistema logró un volumen en modo ultrapequeño de sólo 5 × 10-7 yo3Representa un extraordinario nivel de confinamiento de la luz.
Un nuevo tipo de microscopio óptico
El equipo utilizó la localización extrema de la función de onda en forma de narval para desarrollar una nueva técnica de microscopía óptica de barrido de campo cercano llamada microscopio óptico único.
Al excitar los modos propios de una única cavidad dieléctrica, el microscopio genera un campo electromagnético altamente localizado. Pequeños cambios en estructuras cercanas provocan cambios de resonancia mensurables, lo que permite al sistema detectar detalles extremadamente finos.
Los investigadores demostraron una resolución espacial sin precedentes de λ/1000 y obtuvieron imágenes con éxito de patrones de sublongitud de onda profunda con los caracteres “PKU” y “SFM”.
El auge de los “Cingulónicos”.
El estudio muestra que la ecuación de dispersión única produce formas de onda en forma de Narhull capaces de atrapar la luz en escalas notablemente pequeñas dentro de materiales dieléctricos sin pérdidas.
Los investigadores dicen que el descubrimiento constituye la base de lo que llaman cingulonics, una nueva estructura nanofotónica centrada en controlar y confinar la luz por debajo de los límites convencionales sin desperdiciar energía. El avance podría respaldar tecnologías de procesamiento de datos ultraeficientes, abrir nuevas oportunidades en óptica cuántica y ampliar las capacidades de imágenes de súper resolución.
