Focalizar la luz infrarroja en regiones de tamaño reducido resulta muy prometedor para el desarrollo de multitud de tecnologías como, por ejemplo, sensores biológicos de alta sensibilidad. En este sentido, la peculiar y exótica propagación de luz en materiales altamente anisótropos (donde la luz se propaga direccionalmente en forma de rayos a lo largo de direcciones específicas) ofrece interesantes posibilidades. Un equipo de investigación liderado por la Universidad de Oviedo ha desarrollado unos nanodispositivos metálicos que permiten el focalizado de luz infrarroja en regiones extraordinariamente pequeñas sobre la superficie de dichos materiales, mejorando así los resultados obtenidos en materiales convencionales isótropos (donde la luz se propaga de igual manera en todas las direcciones). Este logro supone un avance significativo para el desarrollo de tecnologías basadas en la manipulación de la luz en la nanoescala (nanoluz), como sensores de moléculas individuales de interés biológico (glucosa), sustancias tóxicas y/o cancerígenas, o catalizadores de reacciones químicas.

 

El desarrollo de nuevos dispositivos fotónicos compactos y eficientes energéticamente depende de nuestra capacidad para manipular la propagación de la luz en la nanoescala. Para ello, la mayor parte de las tecnologías nanofotónicas actuales están basadas en el uso de materiales metálicos isótropos, los cuáles presentan importantes limitaciones, en especial cuando se pretende guiar la nanoluz a lo largo de ciertas direcciones. Sin embargo, en los materiales anisótropos, la nanoluz se propaga direccionalmente de manera natural, lo cual abre una infinidad de interesantes oportunidades.

 

Ahora, un equipo internacional liderado por la Universidad de Oviedo y el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (C1NN) del CSIC en L'Entregu, en colaboración con el Donostia International Physics Center (DIPC) de San Sebastián, el CIC nanoGUNE de San Sebastián, el Moscow Institute of Physics and Technology de Rusia, el Institute of Science and Technology Austria IST, la Huazhong University of Science and Technology Wuhan de China y la Monash University de Australia, ha conseguido un hito al demostrar el focalizado de luz infrarroja en regiones espaciales nanométricas sobre la superficie de cristales de trióxido de molibdeno, un material bidimensional con alta anisotropía óptica. Aparte del posible desarrollo de sensores biológicos compactos en plataformas planares, este logro podría tener aplicaciones interesantes para la manipulación y direccionamiento de luz, así como el aprovechamiento de energía en forma de calor y tecnologías de las comunicaciones.

 

En concreto, los científicos han diseñado nanoantenas de oro con una geometría optimizada para lograr excitar nanoluz (en forma de polaritones, ondas de superficie en el material) a lo largo de direcciones específicas y en forma de rayos ópticos en cristales de óxido de molibdeno. Mediante la disposición espacial adecuada de dichas nanoantenas sobre la superficie del cristal, se consiguió la formación de un foco puntual como resultado de la interferencia constructiva de dos rayos lanzados por dos nanoantennas individuales. Dichos focos presentan un mayor valor de confinamiento de la nanoluz (mayor intensidad), así como una mayor absorción óptica respecto a los focos obtenidos en materiales isótropos en condiciones comparables. Además, las distancias focales obtenidas pueden controlarse fácilmente modificando la disposición de las nanoantenas, con lo que pueden lograrse valores muy por debajo de lo que es posible conseguir en medios isótropos. Las nanoantenas utilizadas en este trabajo representan así un primer nanodispositivo óptico para el futuro desarrollo de nuevas tecnologías en nanofotónica basadas en plataformas compactas y planares utilizando nanomateriales anisótropos.

 

"Nuestro hallazgo representa un paso decisivo hacia el futuro desarrollo de nuevos elementos ópticos en la nanoescala y en el infrarrojo para nuevas tecnologías de las comunicaciones ultracompactas", afirma Javier Martín-Sánchez, investigador Ramón y Cajal en el grupo de Nanoóptica Cuántica de la Universidad de Oviedo y primer autor principal del trabajo de investigación. "Además, nuestro trabajo supone un avance significativo hacia el desarrollo de sensores biológicos de alta sensibilidad".

 

"La visualización experimental del focalizado sobre la superficie de los cristales de óxido de molibdeno debido a la interferencia de polaritones direccionales en forma de rayos fue sorprendente", dice Jiahua Duan, investigador postdoctoral en el grupo y coautor del trabajo. "Nuestros resultados experimentales podrían tener importantes aplicaciones para el control de la nanoluz infrarroja".

 

"Nuestros cálculos teóricos muestran unas características mejoradas en los focos de nanoluz obtenidos en materiales anisótropos en términos de confinamiento de luz y absorción óptica", explica Gonzalo Álvarez-Pérez, investigador predoctoral en el grupo de Nano-óptica Cuántica. 

 

"Nuestro trabajo sienta las bases para el futuro desarrollo e integración de nanodispositivos basados en materiales bidimensionales y anisótropos", concluye Pablo Alonso-González, líder del grupo de investigación.

 

Referencia:

J. Martín-Sánchez, J. Duan, J. Taboada-Gutiérrez, G. Álvarez-Pérez, K. V. Voronin, I. Prieto, W. Ma, Q. Bao, V. S. Volkov, R. Hillenbrand, A. Y. Nikitin, P. Alonso-González, Focusing of in-plane hyperbolic polaritons in van der Waals crystals with tailored infrared nanoantennas. Sci. Adv. 7, eabj0127 (2021)