Una guía óptica para luz visible de solo tres átomos de grosor

El material más delgado concebible por el que se puede propagar la luz es un material bidimensional (2D) que sea semiconductor con un bandgap directo, como los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs); por ello el grafeno no sirve para ello. Se publica en Nature Nanotechnology  la propagación de luz visible (λ ≈ 650 nm) en bisulfuro de wolframio (WS2) suspendido entre dos pilares, desde en una sola hoja (0.618 nm de grosor) hasta en cuatro hojas (2.472 nm de grosor). Para ello se usa una distribución cuadrada de agujeros circulares con un diámetro de 320 nm cuyos centros están separados una distancia de 660 nm. Parece imposible que se pueda propagar luz por un material con un grosor mil veces más pequeño que la longitud de onda (aunque su anchura solo es la mitad de ésta).

Cuidado, no te dejes engañar por la figura que acompaña el artículo. Sugiere que la distancia entre los agujeros es de pocos átomos, cuando tiene más de mil átomos (340 nm). Lo que tiene un grosor de pocos átomos es el grosor transversal del WS2. Por cierto, los materiales estructurados (o metamateriales) que permiten la propagación de la luz se llaman cristales fotónicos. Los agujeros producen una modulación del índice de refracción efectivo (neff); en las regiones sin agujeros el neff  es próximo al del WS2, que es mayor de 4 a 650 nm, mientras que en las regiones con agujeros neff  es próximo al del aire, que es poco mayor de 1 en el visible; así las regiones sin agujeros se comportan como guías ópticas paralelas que propagan luz por reflexión total interna (como en una fibra óptica convencional).

Por supuesto, estas guías ópticas bidimensionales tienen pérdidas enormes y la distancia de propagación alcanzada es pequeña (4.5 μm en los experimentos). Pero esto no es un problema en sus aplicaciones más prometedoras en óptica integrada en chip; eso sí, aún son muy lejanas. El artículo es Xingwang Zhang, Chawina De-Eknamkul, …, Ertugrul Cubukcu, «Guiding of visible photons at the ångström thickness limit,» Nature Nanotechnology (12 Aug 2019), doi: 10.1038/s41565-019-0519-6; recomiendo leer a Dexter Johnson, «World’s Thinnest Optical Waveguide Is Only Three Atoms Thick,» IEEE Spectrum, 14 Aug 2019.

Los modos guiados por la membrana de WS2 con agujeros son de tipo TE (el campo eléctrico siempre está polarizado en un plano transversal a la guía óptica, como las ondas evanescentes típicas). Esta figura (abajo derecha) muestra el índice de refracción complejo (N = n+i κ) de las membranas de WS2 desde una (1L) hasta cinco (5L) capas; el valor depende la longitud de onda de la luz, pero para 650 nm la parte real es n > 4 (por cierto, la parte imaginaria κ son las pérdidas). El índice de refracción estimado en la región con agujeros se muestra en esta figura (abajo izquierda) en función del número de capas; el valor es 1.00 < neff < 1.04.

No entraré en los detalles de fabricación de la membrana de cristal fotónico; resumiendo mucho, primero se fabrica la membrana sobre un sustrato, luego se agujerea (figura izquierda arriba) y luego se elimina el sustrato para que quede suspendida (figura derecha arriba). Se han fabricado membranas agujereadas con diferente distancia entre los agujeros (Λ = 560, 660 y 700 nm), todos ellos con el mismo radio (r = 160 nm). La transmitancia de la guía de ondas para luz visible (entre 525 nm y 750 nm) se ha calculado mediante un modelo teórico (figura izquierda abajo) y se ha medido en los experimentos (figura derecha abajo). Para validar el dispositivo se han realizado varios experimentos cuyos resultados están en buen acuerdo con las predicciones teóricas; también se han realizado medidas de su comportamiento óptico no lineal (aunque los resultados son preliminares y solo se describen en la información suplementaria del artículo, PDF).

En resumen, resulta asombroso que una membrana de solo tres átomos de grosor pueda actuar como guía de ondas para la luz visible. Increíble pero cierto, los materiales bidimensionales tienen un gran futuro en el campo de la optoelectrónica y en la óptica integrada. Habrá que estar al tanto de futuros trabajos que reduzcan la distancia entre los agujeros y/o su diámetro en estas membranas bidimensionales para desvelar hasta dónde se puede llegar en la reducción de la anchura de la guía óptica (con pérdidas aceptables para aplicaciones en óptica integrada en chip).



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 30 agosto, 2019
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