22.05.2023 - Universität Paderborn

Los investigadores mejoran la tecnología para generar armónicos elevados en metasuperficies nanoestructuradas

Los cristales naturales y artificiales pueden cambiar el color espectral de la luz, lo que se conoce como efecto óptico no lineal. La conversión del color se utiliza en numerosas aplicaciones, como la microscopía no lineal para estructuras biológicas y examen de materiales, las fuentes de luz LED y láseres, las comunicaciones ópticas y la fotónica y sus tecnologías derivadas, como la computación cuántica. Investigadores de la Universidad de Paderborn han encontrado ahora una forma de mejorar el proceso físico subyacente al fenómeno. Los resultados se han publicado en la revista especializada "Light: Science & Applications'.

El proceso se basa en el potencial anarmónico de los átomos de cristal y suele provocar una multiplicación precisa de la frecuencia de la luz, lo que se conoce como generación de "armónicos superiores", similares a los sobretonos que se oyen cuando vibra la cuerda de un instrumento musical", explica el profesor Cedrik Meier, físico de Paderborn. Aunque el efecto se produce de forma natural en muchos cristales, suele ser extremadamente débil. Por este motivo, ha habido varios enfoques para aumentar el efecto, por ejemplo combinando distintos materiales y sus estructuras a escala micro y nanométrica. En las últimas décadas, la Universidad de Paderborn ha llevado a cabo intensas y fructíferas investigaciones en este campo.

Un punto central de esta investigación en fotónica son los metamateriales y, en particular, las metasuperficies. Se trata de aplicar elementos estructurados en el rango nanométrico a un sustrato delgado, que luego interactúa con la luz entrante y, por ejemplo, produce resonancias ópticas. Con una duración más larga y un mayor enfoque, la luz puede generar armónicos superiores de forma más eficiente.

En el marco de una colaboración interdisciplinaria, los grupos de investigación dirigidos por el profesor Cedrik Meier (Nanofotónica y Nanomateriales), el profesor Thomas Zentgraf (Nanofotónica Ultrarrápida) y el profesor Jens Förstner (Ingeniería Eléctrica Teórica) de la Universidad de Paderborn trabajan conjuntamente en el Centro de Investigación Colaborativa/Transregio 142 "Fotónica no lineal a medida" para desarrollar un enfoque innovador que permita generar armónicos superiores de forma más eficiente. Utilizando aplicaciones de cilindros elípticos de silicio microscópicamente pequeños y de proporciones específicas, pueden aprovechar el efecto "Fano", un mecanismo físico particular en el que múltiples resonancias se intensifican mutuamente.

Los investigadores utilizaron inicialmente la simulación digital para determinar los parámetros geométricos ideales e investigaron la física subyacente. A continuación crearon nanoestructuras mediante procesos litográficos de última generación y realizaron exámenes ópticos. Tanto la teoría como la experimentación les permitieron demostrar que de este modo se pueden generar terceros armónicos -es decir, luz con el triple de frecuencia que la luz entrante- con mucha más eficacia que con las estructuras conocidas hasta entonces.

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