Un avance en cristales de tiempo puede revolucionar el uso de la luz

Un equipo internacional de investigación ha diseñado por primera vez cristales fotónicos de tiempo realistas: materiales exóticos que amplifican la luz exponencialmente.

Este avance abre posibilidades apasionantes en campos como la comunicación, la imagenología y la detección, al sentar las bases para láseres, sensores y otros dispositivos ópticos más rápidos y compactos.

"Este trabajo podría conducir a la primera realización experimental de cristales fotónicos de tiempo, impulsándolos a aplicaciones prácticas y potencialmente transformando industrias. Desde amplificadores de luz de alta eficiencia y sensores avanzados hasta tecnologías láser innovadoras, esta investigación desafía los límites de cómo podemos controlar la interacción luz-materia", dice en un comunicado el profesor adjunto Viktar Asadchy de la Universidad Aalto, Finlandia.

Los cristales fotónicos de tiempo representan una clase única de materiales ópticos. A diferencia de los cristales tradicionales, que tienen estructuras que se repiten espacialmente, los cristales fotónicos de tiempo permanecen uniformes en el espacio pero exhiben una oscilación periódica en el tiempo. Esta cualidad distintiva crea "huecos de banda de momento", o estados inusuales donde la luz se detiene dentro del cristal mientras su intensidad crece exponencialmente con el tiempo. Para comprender la peculiaridad de la interacción de la luz dentro de un cristal fotónico de tiempo, imaginemos que la luz atraviesa un medio que cambia entre aire y agua billones de veces por segundo, un fenómeno notable que desafía nuestra comprensión convencional de la óptica.

NANODETECCIÓN

Una posible aplicación de los cristales fotónicos de tiempo es la nanodetección.

"Imaginemos que queremos detectar la presencia de una partícula pequeña, como un virus, un contaminante o un biomarcador de enfermedades como el cáncer. Al excitarse, la partícula emitiría una cantidad minúscula de luz a una longitud de onda específica. Un cristal fotónico de tiempo puede capturar esta luz y amplificarla automáticamente, lo que permite una detección más eficiente con el equipo existente", dice Asadchy.

La creación de cristales fotónicos de tiempo para la luz visible ha sido un desafío durante mucho tiempo debido a la necesidad de una variación extremadamente rápida pero a la vez de gran amplitud de las propiedades del material. Hasta la fecha, la demostración experimental más avanzada de cristales fotónicos de tiempo, desarrollada por miembros del mismo equipo de investigación, se ha limitado a frecuencias mucho más bajas, como las microondas.

En su último trabajo, el equipo propone, a través de modelos teóricos y simulaciones electromagnéticas, el primer enfoque práctico para lograr cristales fotónicos de tiempo "verdaderamente ópticos". Mediante el uso de una matriz de diminutas esferas de silicio, predicen que las condiciones especiales necesarias para amplificar la luz que antes estaban fuera de nuestro alcance finalmente se pueden lograr en el laboratorio utilizando técnicas ópticas conocidas.

El equipo estuvo formado por investigadores de la Universidad Aalto, la Universidad de Finlandia Oriental, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe y la Universidad de Ingeniería de Harbin. La investigación se publicó recientemente en Nature Photonics.