Metasuperficie hiperbólica de nitruro de boro hexagonal para nanofotónica con polaritones

Dibujo20180223 Wavefront imaging of antenna-launched HMS-PhPs sciencemag org 359 6378 892 F3

Las metasuperficies ópticas son metamateriales muy delgados con una nanoestructura por debajo de la longitud de onda de la luz. En las metasuperficies metálicas se propagan plasmones superficiales de tipo polaritón (SPPs). Se publica en Science una metasuperficie hiperbólica, cuya relación de dispersión para los polaritones es un hiperboloide abierto, basada en un múltiples capas (heteroestructura de van der Waals) de cintas paralelas de nitruro de boro hexagonal (hBN). En este prototipo se observan pérdidas tan bajas para polaritones infrarrojos que se auguran múltiples aplicaciones en nanofotónica: lentes planas, hologramas de alta eficiencia, generación de haces ópticos de tipo vórtice, etc.

Los SPPs son cuasipartículas formadas por ondas electromagnéticas (polaritones) que se propagan (por el aire o por un dieléctrico) cerca de una superficie metálica acopladas a ondas de electrones (plasmones) que se propagan en dicha superficie. Las propiedades ópticas de las metasuperficies están determinadas por sus permitividades efectivas transversales εeff,x y εeff,y (ambas para los polaritones). En las metasuperficies hiperbólicas estas permitividades tienen signo opuesto (εeff,x εeff,y < 0). Gracias a ello los polaritones se propagan de forma colimada (con baja difracción) durante una gran distancia (con una baja disipación), a diferencia de lo que ocurre en capas delgadas sin nanoestructura.

El nuevo dispositivo nanofotónico podría revolucionar el campo de la fotónica integrada en chip. Por supuesto, solo se ha publicado un prototipo y queda mucho trabajo para optimizar sus propiedades para aplicaciones concretas. El artículo es Peining Li, Irene Dolado, …, Rainer Hillenbrand, “Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der Waals materials,” Science 359: 892-896 (23 Feb 2018), doi: 10.1126/science.aaq1704.

Dibujo20180223 hBN metasurface dispersion surface sciencemag org 359 6378 892 F1

Una capa metálica delgada de unos 20 nm de grosor formada por varias capas planas de hBN (figura A) muestra una relación de dispersión elíptica (las ondas para el campo eléctrico se propagan de forma radial con simetría circular, como muestran las figuras B, C y D). Cuando se usa una metasuperficie (figura E), con una nanoestructura en las capas de hBN en forma de cintas (ribbons) con cierta anchura (w = 70 nm) separadas por cierta distancia (g = 30 nm) aparece una relación de dispersión hiperbólica (las ondas para el campo eléctrico se propagan en sendos conos cuyas fronteras son hipérboles, como muestran las figuras F, G y H). Variando los parámetros de la nanoestructura (la distancia g en las figuras I y J) o la frecuencia de la luz incidente (en las figuras K y L) se modifica el ángulo de apertura de las hipérboles en la relación de dispersión (es decir, el valor relativo de las permitividades efectivas transversales εeff,x y εeff,y).

Dibujo20180223 metasurface hBN and dispersion sciencemag org 359 6378 892 F2

Las metasuperficies hiperbólicas basadas en hBN se pueden usar con luz en el infrarrojo medio (en la banda de frecuencias ω entre 1395 y 1630 cm−1); recuerda que en espectroscopia para la frecuencia se usa el número de onda, es decir, el número de longitudes de ondas por unidad de distancia, con lo que 1395 cm−1 significa 1395 longitudes de onda por centímetro, es decir, 7,168 μm. En esta figura, para w ≈ 75 nm y g ≈ 25 nm, se ilustran resultados para frecuencias ω = 1405 y 1435 cm−1. Las imágenes de campo cercano de los polaritones se ajustan muy bien a las predicciones teóricas obtenidas mediante simulación por ordenador, lo que valida el funcionamiento correcto del nanodispositivo.

Dibujo20180223 polariton near field images hyperbolic metasurface hBN sciencemag org 359 6378 892 F4

Por supuesto, el nuevo prototipo basado en hBN será el germen de futuros nanodispositivos basados en otros materiales planos que permiten la fabricación de heteroestructuras de van der Waals formadas por cintas paralelas, como grafeno, SiC, MoS2, Bi2Se3, etc. Cada uno de estos materiales planos dará lugar a una metasuperficie hiperbólica para polaritones en una banda de frecuencias diferente (por ejemplo, con el grafeno se llegará a la banda de los terahercios). Por ello, el nuevo artículo promete muchas secuelas en los próximos años. Además de cambiar el material plano usado también se probarán diferentes geometrías para la nanoestructura. Sin lugar a dudas, nos encontramos ante una revolución en la óptica integrada en chip basada en polaritones (polaritónica).


1 Comentario

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miguelmiguel

Es descorazonador leer diez palabras y no entender once.

Fuera bromas, se trataria del primer «transistor de silicio» para la computacion optica, y con un tamaño 70*30nm que se aproxima a lo que se necesitaria/aprovecharia en algunos bloques de (por ejemplo) un procesador ¿?. No veo nada, igual esta pero furra de lo que conozco ¿cuanta potencia se necesita? porque eso y la disipada puede ser el futuro de la electronica.

Incluso podria ser la fuente de «espejos» de telescopios con precio creciente lineal por metro cuadrado, un metro cuadrado P, 20 metros cuadrados 20P.

Muchas gracias Francis.

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