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Una nueva investigación realizada por un equipo del City College de Nueva York ha descubierto una novedosa forma de combinar dos estados diferentes de la materia. Por primera vez, se han combinado fotones topológicos -luz- con vibraciones de red, también conocidas como fonones, para manipular su propagación de forma robusta y controlable.
El estudio utilizó la fotónica topológica, una dirección emergente en la fotónica que aprovecha las ideas fundamentales del campo matemático de la topología sobre las cantidades conservadas -invariantes topológicas- que permanecen constantes al alterar partes de un objeto geométrico bajo deformaciones continuas. Uno de los ejemplos más sencillos de tales invariantes es el número de agujeros, que, por ejemplo, hace que el donut y la taza sean equivalentes desde el punto de vista topológico. Las propiedades topológicas dotan a los fotones de helicidad, cuando los fotones giran al propagarse, lo que da lugar a características únicas e inesperadas, como la robustez frente a los defectos y la propagación unidireccional a lo largo de interfaces entre materiales topológicamente distintos. Gracias a las interacciones con las vibraciones de los cristales, estos fotones helicoidales pueden utilizarse para canalizar la luz infrarroja junto con las vibraciones.
Las implicaciones de este trabajo son amplias, y en particular permiten a los investigadores avanzar en la espectroscopia Raman, que se utiliza para determinar los modos vibracionales de las moléculas. La investigación también es prometedora para la espectroscopia vibracional -también conocida como espectroscopia infrarroja-, que mide la interacción de la radiación infrarroja con la materia mediante absorción, emisión o reflexión. Esto puede utilizarse para estudiar, identificar y caracterizar sustancias químicas.
"Acoplamos los fotones helicoidales con las vibraciones de la red del nitruro de boro hexagonal, creando una nueva materia híbrida denominada fonón-polaritones", explica Alexander Khanikaev, autor principal y físico afiliado a la Escuela de Ingeniería Grove del CCNY. "Es mitad luz y mitad vibraciones. Como la luz infrarroja y las vibraciones de la red están asociadas al calor, hemos creado nuevos canales para la propagación de la luz y el calor juntos. Normalmente, las vibraciones de la red son muy difíciles de controlar, y guiarlas alrededor de los defectos y las esquinas afiladas era imposible antes".
La nueva metodología también puede implementar la transferencia de calor radiativa direccional, una forma de transferencia de energía durante la cual el calor se disipa a través de ondas electromagnéticas.
"Podemos crear canales de forma arbitraria para que esta forma de excitación híbrida de luz y materia sea guiada a lo largo de un material bidimensional que hemos creado", añadió el Dr. Sriram Guddala, investigador postdoctoral en el grupo del profesor Khanikaev y primer autor del manuscrito. "Este método también nos permite cambiar la dirección de propagación de las vibraciones a lo largo de estos canales, hacia adelante o hacia atrás, simplemente cambiando la polarización de la mano del rayo láser incidente. Curiosamente, a medida que los fonones-polaritones se propagan, las vibraciones también giran junto con el campo eléctrico. Se trata de una forma totalmente novedosa de guiar y rotar las vibraciones de la red, que además las hace helicoidales".
Fuentes, créditos y referencias:
S. Guddala et al, Topological phonon-polariton funneling in mid-infrared metasurfaces, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abj5488. www.science.org/doi/10.1126/science.abj5488
Imagen: Los cristales fotónicos topológicamente distintos (naranja y azul) con una capa de nitruro de boro hexagonal en la parte superior permiten el acoplamiento de la luz topológica y las vibraciones de la red para formar excitaciones de media luz y media vibración quirales, que pueden ser guiadas direccionalmente a lo largo de canales 1D de manera robusta. Crédito: Filipp Komissarenko y Sriram Guddala