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Nuevo rúter de luz y materia

21/10/2020
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Visión artística de un campo de rúters esculpidos en una microcavidad. Uno de ellos, excitado con un haz láser, muestra la propagación de condensados de polaritones obtenida experimentalmente de su emisión luminosa / SCIXEL

Un rúter es un dispositivo esencial para transmitir información utilizando radiación electromagnética: acopla una cierta cantidad de energía en una línea de transmisión, permitiendo que las señales se usen en otros circuitos. Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid han reportado por primera vez un dispositivo que permite hacer lo mismo con la materia.

Una microcavidad óptica es una estructura formada por dos caras altamente reflectantes que encierran un medio óptico, por ejemplo, un semiconductor. Sus reducidas dimensiones permiten la observación de efectos cuánticos. El acoplamiento en estas estructuras de la radiación electromagnética (luz, fotones) con las excitaciones de carga en el semiconductor (materia, excitones) da lugar a nuevas partículas, denominadas polaritones.

Los polaritones comparten propiedades de sus constituyentes, como la capacidad de interacción mutua (prácticamente ausente en los fotones), brindando oportunidades extraordinarias para el control y la manipulación de la luz.

Una colaboración internacional liderada desde la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en la que participan universidades de Würzburg y Jena (Alemania), San Petersburgo (Rusia), Saint Andrews (UK) y Reykjavik (Islandia), ha construido guías de onda para propagar polaritones en microcavidades, logrando el traspaso de partículas entre dos brazos de un rúter.

Esta es la primera demostración de un dispositivo que permite la redirección de materia, semejante a la que se hace rutinariamente hoy en día con la luz. Se trata de un trabajo pionero que allana el camino para manipular la materia y obtener nuevos dispositivos totalmente basados en polaritones; como láseres, puertas lógicas, transistores y circuitos integrados, con prestaciones que incluso hoy son difíciles de imaginar.

 

Rúters cuánticos

Los rúters de radiación electromagnética se utilizan rutinariamente en nuestro entorno y tiene aplicaciones muy diversas, como proveer señales de muestreo para evaluación, retroalimentación, combinación de alimentaciones hacia y desde antenas, suministro de conexiones para sistemas distribuidos por cable como TV y separación de señales transmitidas y recibidas en líneas telefónicas.

En un estadio más sofisticado, se están desarrollando circuitos fotónicos de semiconductores, en particular acopladores direccionales basados en GaAs, para realizar fotónica integrada a nivel cuántico y manipular estados de un solo fotón o de fotones entrelazados, elementos claves para las tecnologías de fotónica cuántica.

El trabajo, publicado en Advanced Optical Materials, exigió superar un gran número de desafíos técnicos y científicos: desde la fabricación de las microcavidades por la técnica de epitaxia de haces moleculares y el grabado para obtener las guías de onda por medio de iones reactivos, manteniendo la alta calidad óptica de los materiales, hasta las medidas experimentales, que requieren literalmente la realización de videos con una resolución de picosegundos (un picosegundo es la billonésima parte de un segundo, 1 ps = 10-12 s) y la simulación de los resultados, para entender los experimentos y la influencia de los distintos parámetros involucrados (anchura y longitud de las guías, energía de inyección y propagación de los polaritones, fenómenos de interferencias, etc.).

Para entender las dificultades a afrontar basta considerar, por ejemplo, que la separación entre los brazos del dispositivo en su región de acoplamiento es de tan solo 1.5 mm (1 mm es la millonésima parte de 1 metro, 10-6 m), es decir la décima parte del espesor de un cabello humano muy fino (15 mm), manteniendo en el proceso de grabado la calidad de los semiconductores y, sobre todo, de sus regiones superficiales para que se pueda realizar la propagación de los polaritones y su acoplamiento.

Las medidas experimentales también requirieron un alto nivel de sofisticación, utilizado condiciones de alto vacío, bajas temperaturas cercanas al cero absoluto (10 K), láseres que proveen pulsos de duración 2 ps y detectores que permiten realizar películas con alta resolución temporal, registrando simultáneamente la localización de los polaritones en el espacio, sus velocidades, así como su energía de propagación.

El trabajo, que ha sido portada en Advanced Optical Materials, fue financiado por el proyecto del MINECO MAT2017-83722-R y lo firman los investigadores de la UAM Elena Rozas, Dolores Martín y Luis Viña.

 

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Referencia bibliográfica:

E. Rozas, J. Beierlein, A. Yulin, M. Klaas, H. Suchomel, O. Egorov, I.A. Shelykh, U. Peschel, C. Schneider, S. Klembt, S. Höfling, M. D. Martín, and L. Viña. 2020. Impact of the energetic landscape on polariton condensates’ propagation along a coupler. Advanced Optical Materials 8, 2000650.


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