Descubren una nueva forma de controlar la dirección de propagación de la luz guiada

En un artículo publicado en la revista Science, los investigadores del Centro de Tecnología Nanofotónica de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) Francisco José Rodríguez y Alejandro Martínez muestran cómo un movimiento circular de cargas cercano a una superficie metálica permite que la luz se propague sobre la superficie en una dirección determinada por la rotación de las cargas.

El efecto es similar a un molino de agua situado sobre un río: la dirección del agua provoca que las aspas del molino giren en un cierto sentido. Si el canal de agua no tuviese inclinación, el movimiento de rotación del molino determinaría hacia qué dirección corre el agua. “El descubrimiento es realmente sorprendente dado que la dirección de propagación de la luz no se había controlado de esta forma hasta ahora”, apunta Alejandro Martínez.

Según Francisco José Rodríguez, “en este artículo presentamos un concepto totalmente novedoso y a la vez sorprendentemente sencillo. De hecho, es tan sencillo que se puede aplicar a cualquier sistema y tecnología fotónica, como fibras ópticas o guías nanofotónicas, y no solamente a ondas guiadas sobre planos metálicos”.

La nanofotónica se ocupa del estudio de la luz y su interacción con estructuras extremadamente minúsculas, en el rango de los nanómetros. En esta escala, las interacciones de los campos eléctricos creados por partículas cargadas pueden dar lugar a efectos novedosos.

Rotación del dipolo

Como apunta Alejandro Martínez, “la intuición nos dice que la luz se debe propagar de igual manera en todas las direcciones posibles, como si se arroja una piedra a un estanque de agua y vemos ondas en todas las direcciones. El hecho de que haciendo rotar el dipolo permita propagar en una dirección determinada es realmente sorprendente”.

En su experimento, los investigadores usaron luz polarizada circularmente para iluminar una pequeña ranura en una superficie de oro y lograr que las cargas en la ranura se movieran en círculos, con un sentido de rotación que depende del spin de la luz que está incidiendo. Este movimiento circular de cargas es equivalente al molino de agua.

“Si la ranura, de tamaño nanométrico, se coloca muy próxima a una guía óptica o a una superficie metálica, se produce un fenómeno de interferencia que hace que la luz se propague en una única dirección, parecido a como un molino de agua girando cerca de un canal movería el agua en una sola dirección.

Sobre sus aplicaciones, los investigadores explican que si la dirección de la polarización se invierte, la luz guiada se propaga en la dirección opuesta, lo que se podría usar para construir conmutadores ópticos para redes ópticas. “Sin embargo al tratarse de un efecto tan fundamental, las posibles aplicaciones son innumerables, pasando desde conmutadores ultrarrápidos en redes ópticas a sistemas de imagen 3D o computación cuántica”, añade Alejandro Martínez.

El grupo del King's College London está liderado por el profesor Anatoly Zayats. Según explica Zayats, “la interferencia de ondas es un fenómeno físico básico, conocido desde hace siglos, con infinitas aplicaciones. Cuando observamos por primera vez que este efecto podía dar lugar al guiado unidireccional de la luz al usar polarización circular, no podíamos creer que un efecto tan fundamental haya pasado desapercibido durante tantos años. Ahora estamos trabajando en desarrollar las posibles aplicaciones en nanofotónica y óptica cuántica”.