Se logra en España el nanoenfoque de luz infrarroja en un punto de 60 nanómetros mediante líneas de transmisión estrechadas

Por Francisco R. Villatoro, el 19 abril, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 1

La cooperación de tres grupos de investigación del nanoGUNE (Donostia, San Sebastián) ha permitido desarrollar un nuevo método para enfocar luz infrarroja utilizando líneas de transmisión estrechazadas hasta dimensiones nanométricas. El nuevo dispositivo permitirá desarrollar espectrómetros en el infrarrojo ultrapequeños y biosensores integrados en chips con prometedoras aplicaciones en química y biología. El artículo se ha publicado en M. Schnell, P. Alonso-González, L. Arzubiaga, F. Casanova, L. E. Hueso, A. Chuvilin, R. Hillenbrand, “Nanofocusing of mid-infrared energy with tapered transmission lines,” Nature Photonics, Published online 03 April 2011; más información divulgativa en  “Transmission lines for nanofocusing of Infrared Light,” Nanotechnology Now, April 5th, 2011.

Utilizando una lente óptica convencional es imposible enfocar luz en un punto cuyo tamaño sea menor que la mitad de su longitud de onda debido al límite de resolución impuesto por la difracción. Por ello enfocar luz en puntos de tamaño nanométrico (menores de 100 nm) es imposible con las técnicas ópticas convencionales. Una técnica para lograr superar esta barrera física fundamental es utilizar una antena óptica en lugar de una lente óptica. El grupo de investigación del nanoGUNE ha utilizado una línea de transmisión en miniatura como antena óptica que permite la propagación de la luz mediante ondas superficiales en lugar de las ondas volumétricas que manejan las lentes ópticas. Una línea de transmisión es una par de conductores metálicos que corren paralelos separados por cierta distancia fija. Una línea de transmisión estrechada es una en la que la distancia que separa los conductores se reduce de forma gradual durante cierta longitud. En el nuevo trabajo los conductores metálicos son nanohilos que están separados por una distancia submicrométrica que son estrechados hasta distancias nanométricas del orden de los 100 nm (como muestra la figura de arriba). Gracias al estrechamiento se obtiene el efecto de enfoque de la luz hasta un punto de solo 60 nm (nanómetros), es decir, un punto 150 veces más pequeño que la longitud de onda de la luz infrarroja incidente (cuando se propaga en un espacio libre).

Las líneas de transmisión convencionales son muy utilizadas para el manejo de ondas en el régimen de las microondas (por ejemplo en teléfonos móviles, radares y satélites). Las microondas son ondas electromagnéticas en el intervalo de frecuencias entre 300 MHz y 300 GHz que corresponden a longitudes de onda en espacio libre de 1 metro a 1 milímetro (a las ondas que tienen frecuencias entre 30 GHz y 300 GHz también se las llama milimétricas). Por ejemplo, los sistemas actuales de teléfonos móviles funcionan a frecuencias comprendidas entre 800 y 1800 MHz. Una línea de transmisión es un “cable” o una guía óptica para estas ondas que puede ser hueca o estar formada por varios conductores paralelos separados. Las líneas de transmisión a frecuencias de microondas requieren bajas pérdidas (depende de los materiales con los que están fabricadas) y baja dispersión. En sistemas de comunicación la información se propaga mediante un paquete de ondas de múltiples frecuencias (la modulación de una señal portadora). El sistema presenta dispersión cuando cada frecuencia independiente se propaga a una velocidad de fase diferente. El paquete de ondas se propaga a la velocidad de grupo y las líneas de transmisión introducen retrasos en la propagación de la señal.

He de confesar que este artículo me ha gustado mucho porque yo he trabajado en la simulación numérica de líneas de transmisión no lineales, tanto de parámetros concentrados como distribuidos, con énfasis en la propagación de solitones y compactones, y también de fibra óptica estrechada. Las líneas de transmisión no lineales están fabricadas con materiales semiconductores que actúan como dispositivos activos que amplifican o modulan la señal que propagan, por ejemplo, mediante el fenómeno de generación de armónicos. Como cualquier guía óptica, las líneas de transmisión también pueden propagar modos superficiales. En la actualidad estos modos tienen mucho interés (aunque yo no he trabajado en la simulación de este tipo de modos) pues permiten guiar la señal en un medio cuando la longitud de onda de luz es mayor que el tamaño de la propia guía. Por ejemplo, hay mucho trabajo en la actualidad en nanohilos y nanofibras ópticos.

En resumen, un trabajo que me ha gustado mucho y máxime cuando ha sido realizado por investigadores afincados en España (no digo españoles porque el líder del grupo de nanofotónica es R. Hillenbrand y el primer autor es M. Schnell).



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