Rompiendo fronteras en fotónica cuántica: unas nanocavidades nuevas amplían las fronteras en el confinamiento de la luz

Los físicos llevan mucho tiempo buscando formas de forzar los fotones a ocupar volúmenes cada vez más pequeños. La escala de longitud natural del fotón es la longitud de onda y cuando un fotón es forzado a entrar en una cavidad mucho más pequeña que su longitud de onda, en la práctica se vuelve más "concentrado". Esta concentración mejora las interacciones con los electrones, amplificando los procesos cuánticos dentro de la cavidad.

Sin embargo, a pesar del inmenso éxito experimental de las últimas décadas, el efecto de la disipación (absorción óptica) sigue siendo un obstáculo importante a la hora de confinar la luz a volúmenes extremadamente pequeños. Los fotones en las nanocavidades se absorben muy rápidamente, a menudo incluso antes de que el fotón llegue desde un lado de la cavidad a otro. Esta disipación limita la aplicabilidad de las nanocavidades a algunas de las áreas más interesantes de la electrodinámica cuántica.

El grupo de investigación del Prof. ICREA Frank Koppens del ICFO ha publicado un estudio en Nature Materials donde superan este desafío creando cavidades potenciadas multimodales (en inglés multimodal-enhanced cavities o MEC) con una combinación incomparable de volumen por debajo de la longitud de onda y vida útil prolongada. Estas nanocavidades, que miden menos de 100x100 nm² de área y solo 3 nm de grosor, confinan la luz durante períodos significativamente más largos. La clave radica en el uso de polaritones de fonones hiperbólicos, excitaciones electromagnéticas únicas nativas de los materiales 2D utilizados para formar la cavidad. Estos polaritones hiperbólicos son similares a la luz ordinaria en la mayoría de los aspectos, pero pueden confinarse a volúmenes extremadamente pequeños (mucho más pequeños que la longitud de onda elevada al cubo) de maneras que desafían la intuición común en óptica.

Cuando los experimentos superaron las expectativas teóricas

Este descubrimiento comenzó con una observación casual realizada durante un proyecto completamente diferente. Mientras utilizaban un microscopio óptico de campo cercano para caracterizar la estructura de un material 2D, los investigadores notaron una reflexión inusualmente fuerte cuando los polaritones excitados dentro suyo golpeaban el borde de un sustrato metálico. Esta observación inesperada, a primera vista anecdótica, resultó ser el principio subyacente de un dispositivo innovador.

Los investigadores se dieron cuenta de que podrían utilizar esta propiedad recién descubierta para crear nanocavidades de alta calidad y volumen pequeño simultáneamente, un logro que hasta ahora eludía a la comunidad de la nanofotónica.  Ellos esperaban obtener una ligera mejora con respecto a las nanocavidades anteriores, pero al analizar las mediciones experimentales el equipo se llevó una gran sorpresa. El rendimiento de las cavidades duplicó sus expectativas, superando el máximo previsto por el modelo teórico inicial. Aún mejor, las nanocavidades mostraron estas vidas relativamente largas a pesar de su tamaño reducido (del orden de unos pocos nanómetros).

"Las mediciones experimentales suelen ser peores de lo que sugeriría la teoría, pero en este caso descubrimos que los experimentos superaban las optimistas predicciones de nuestra teoría simplificada", dijo el primer autor, el Dr. Hanan Herzig Sheinfux, del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan. "Este éxito inesperado allana el camino hacia nuevas aplicaciones y avances en la fotónica cuántica, ampliando los límites de lo que pensábamos que era posible".

De hecho, sus cavidades MEC eran órdenes de magnitud más pequeñas que las de cualquier otro resonador óptico de vida comparable. Sin embargo, su enorme logro se convirtió también en su mayor desafío, ya que aún faltaba una explicación teórica. Después de meses de estudio, descubrieron que "una física realmente hermosa y sorprendentemente profunda relacionada con la formación de nanorayos y la interacción multimodal era la responsable de todo", explica el Dr. Herzig.

Cavidad potenciada multimodal de polaritones hiperbólicos 

El éxito de sus nanocavidades se basó en un mecanismo de confinamiento único, así como en la construcción del dispositivo. Las nanocavidades se crearon perforando agujeros a nanoescala en un sustrato de oro con la precisión extrema (2-3 nanómetros) de un microscopio enfocado de haz de iones de He. Después de hacer los agujeros, se transfirió encima nitruro de boro hexagonal (hBN), un material 2D que puede admitir los polaritones de fonones hiperbólicos. La luz debía quedar confinada dentro del hBN, en la región situada encima de los agujeros.

En el modelo original utilizado para analizar los experimentos, el confinamiento en la cavidad se puede comparar con el aumento del tráfico de automóviles que se produce cuando una autopista de doble carril se reduce a uno solo. La incompatibilidad entre el tráfico de uno y dos carriles está obligando a los automóviles a congestionarse, lo que es vagamente similar a cómo se refleja y confina la luz cuando el tipo de sustrato cambia en el borde del agujero dando paso al sustrato de oro. La incompatibilidad entre el hBN suspendido y el hBN sobre oro actúa como un "cuello de botella" para los polaritones, de modo que la luz dentro de la cavidad tiene más dificultades para filtrarse.

Sin embargo, tal como se mencionó anteriormente, este modelo simple no pudo explicar completamente los resultados experimentales. Para hacerlo, hay que tener en cuenta que los polaritones de hBN se manifiestan en forma de ondas de luz y que, a diferencia de las partículas clásicas (como los coches en una carretera), pueden combinarse e interferir de formas complicadas. En concreto, los polaritones hBN pueden combinarse en excitaciones similares a rayos multimodales. Las excitaciones multimodales que se forman por encima de los nano-agujeros en el metal son incluso más incompatibles con los polaritones fuera del agujero, lo que conlleva un grado de confinamiento aún mayor del que sería posible de otra manera.

Fundamentalmente, este método evita dar forma directa al hBN y preserva su calidad prístina, lo que permite fotones altamente confinados y de larga vida en la cavidad.

El Prof. Koppens y el Dr. Herzig tienen la intención de utilizar estas cavidades como una plataforma novedosa para experimentos cuánticos de interacción luz-materia con el fin de ver efectos cuánticos que antes se consideraban imposibles, así como para estudiar más a fondo la física intrigante y contraintuitiva del comportamiento en polaritones de fonones hiperbólicos.

Referencia bibliográfica: 

Hanan Herzig Sheinfux et al, High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride, Nature Materials (2024). www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w