Primer chip fotónico con índice de refracción cero

En el presente siglo, los dispositivos fotónicos, que emplean luz para transportar grandes cantidades de información de manera rápida, mejorarán o incluso reemplazarán a los dispositivos electrónicos (basados en flujos de electrones), tan omnipresentes en nuestras vidas actualmente. Pero existe un paso previo necesario antes de que las conexiones ópticas puedan ser integradas en los sistemas de telecomunicaciones y ordenadores: hay que desarrollar técnicas que hagan más fácil manipular la luz a la escala nanométrica.

El equipo de Eric Mazur, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de la Universidad Harvard en Estados Unidos, puede haber ideado una de tales técnicas, al diseñar el primer metamaterial con índice de refracción cero en un chip.

Los metamateriales con un índice de refracción cero exhiben propiedades físicas tales como una velocidad de fase y una longitud de onda infinitas. Una onda con longitud infinita equivale esencialmente a una línea recta sin curva alguna. Hasta ahora, no había modo alguno de implementar estos materiales en un chip fotónico, restringiendo la investigación y la aplicación de los fenómenos citados a formas simples y escalas pequeñas. Mazur y sus colegas han diseñado y fabricado un metamaterial integrado en un chip con un índice de refracción cero en el ámbito óptico.

En condiciones normales, es muy difícil manipular la luz de maneras sofisticadas, pero este metamaterial permite hacerlo de un chip a otro, apretando, curvando, retorciendo y reduciendo el diámetro de un rayo de luz desde la macroescala a la nanoescala. Es una nueva y notable forma de manipular luz.

Tener una velocidad de fase infinita no quiere decir ni mucho menos que la luz en sí misma viaje a más de 300.000 kilómetros por segundo. La velocidad de fase se mide por cuán rápido se mueven las crestas de una longitud de onda. Esta velocidad aumenta o disminuye dependiendo del material a través del cual se esté moviendo.

Cuando la luz atraviesa el agua, por ejemplo, su velocidad de fase se reduce a medida que sus longitudes de onda se aprietan entre sí. Una vez sale del agua, su velocidad de fase se vuelve a incrementar mientras su longitud de onda se alarga. Cuánto las crestas de una onda lumínica reducen su velocidad en un material se expresa mediante una relación llamada índice de refracción (cuanto más alto es el índice, más interfiere el material con la propagación de las crestas de las ondas de la luz). El agua, por ejemplo, tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,3.

Cuando el índice de refracción se reduce hasta cero, empiezan a pasar cosas realmente extrañas e interesantes.

En un material de índice cero, no existe un avance de fase, lo que significa que la luz ya no se comporta como una onda que se mueve, viajando a través del espacio en una serie de crestas y valles. Al contrario, el material de índice cero crea una fase constante (todo crestas o todo valles), alargándose en longitudes de onda infinitamente largas. Las crestas y los valles oscilan solo como una variable del tiempo, no del espacio.

Esta fase uniforme permite que la luz se estire o se apriete, se retuerza o se gire, sin perder energía. Un material de índice cero que encaje bien en un chip podría tener muchas y muy buscadas aplicaciones, especialmente en el mundo de la computación cuántica.