Dar forma a la luz como nunca antes: con los cristales fotónicos de tiempo
Un avance experimental permite el control ultrarrápido de la luz en el rango de los terahercios
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Un equipo internacional de investigadores de la École polytechnique, el Collège de France y el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha logrado una primicia mundial: la realización experimental de un cristal de tiempo fotónico (PTC) totalmente óptico, un material cuyas propiedades ópticas pueden modularse de forma intensa y periódica en el tiempo a escalas ultrarrápidas. Publicado en Nature (DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9), este avance aprovecha la fuente superradiante de terahercios TELBE del HZDR para llevar el sistema a un nuevo régimen de interacción luz-materia en el rango de los terahercios. Este descubrimiento allana el camino para la computación óptica ultrarrápida, nuevos sistemas de telecomunicaciones y, en última instancia, nuevos tipos de láseres de terahercios.
Modelar las propiedades de la luz a medida que interactúa con los materiales es la base de muchos descubrimientos y avances tecnológicos, ya se trate de fibras ópticas en telecomunicaciones, láseres como fuentes de luz o sensores para la química y la biología.
En la École polytechnique, los científicos están sentando las bases de una tecnología que aún no se ha explotado ampliamente: El profesor Yannis Laplace, profesor adjunto de la École polytechnique, y su equipo del Laboratorio de Sólidos Irradiados (LSI) están desarrollando nuevos dispositivos fotónicos para controlar la luz en el rango de frecuencias de los terahercios (THz). La investigación en esta banda de frecuencias —1 000 veces más rápida que la utilizada para los componentes electrónicos— avanza rápidamente y podría abrir nuevas perspectivas para la observación y la manipulación de la materia. «El rango de los THz representa la frontera entre las tecnologías electrónicas y fotónicas», explica Laplace. «Es un rango lleno de oportunidades tanto para la ciencia como para la sociedad, pero que aún está poco desarrollado tecnológicamente en comparación con sus homólogos eléctricos y fotónicos. La creación de cristales fotónicos podría allanar el camino para cerrar esta brecha».
El avance: del control espacial al temporal
Esos cristales fotónicos son materiales nanoestructurados con un patrón óptico periódico (como una red cristalina) que controla el flujo de fotones. Al ajustar de forma inteligente el índice de refracción y las formas de los distintos materiales, pueden bloquear, guiar o potenciar longitudes de onda específicas, de forma similar a como los semiconductores controlan los electrones.
En estudios anteriores, este equipo de investigación había demostrado cómo la manipulación de la temperatura o de los campos magnéticos podía alterar las propiedades de captura de luz de los cristales fotónicos, pero hasta ahora su control era estático en el tiempo. Este nuevo trabajo presenta los primeros cristales fotónicos temporales, en los que las propiedades ópticas del material (por ejemplo, la reflectividad o la frecuencia de resonancia) se modulan dinámicamente en escalas de tiempo de picosegundos, comparables al propio ciclo de oscilación de la luz. «Al ampliar los cristales fotónicos del espacio al tiempo, abrimos una nueva dimensión para el control de la luz —y una vía novedosa hacia la amplificación y el efecto láser—. Esto podría suponer un cambio revolucionario para las tecnologías ópticas en frecuencias de terahercios y más allá», explica Tingwen Guo, estudiante de doctorado en la École polytechnique y autor principal de la publicación.
Superar el arduo reto técnico
Para poder alterar las propiedades de los fotones a lo largo del tiempo, los científicos tuvieron que construir un dispositivo complejo y único en su género. Con la ayuda del Laboratoire Albert Fert de Thales y de los laboratorios de Física de Interfaces (PICM) de la École polytechnique, crearon un tipo especial de cristal fotónico, denominado «metamaterial plasmónico». Consiste en estructuras almenadas de oro a escala micrométrica, bajo las cuales se encuentra una capa aislante y, finalmente, un material semiconductor compuesto por una mezcla de indio y antimonio. Estas almenas actúan como cavidades que atrapan fotones de luz entre la capa de oro y la capa semiconductora; la excitación de la superficie de este semiconductor da lugar a «plasmonas superficiales», en las que los electrones se comportan como una especie de onda colectiva capaz de capturar la luz y mantener sus oscilaciones.
Al enviar pulsos láser de terahercios a este dispositivo, gracias a la fuente de terahercios intensa y sintonizable en frecuencia TELBE del acelerador ELBE del HZDR, los investigadores demostraron que las propiedades ópticas del material, en particular su capacidad para reflejar la luz, se modulaban con gran intensidad en escalas de tiempo muy cortas. Se trata de una hazaña experimental, ya que lograr una modulación que fuera a la vez muy intensa (como obligar a un objeto a emitir un color completamente diferente) y muy rápida (a escala de picosegundos —una milmillonésima de milmillonésima de segundo—) resultaba extremadamente difícil. «La capacidad única de TELBE para generar pulsos de terahercios de alto campo y fase estable fue fundamental», confirmó el Dr. Jan-Christoph Deinert, coordinador de la instalación TELBE. «Sin esta infraestructura, habría sido imposible lograr la modulación coherente y ultrarrápida necesaria para el régimen PTC».
Más allá de las observaciones experimentales, un modelo teórico desarrollado por el Dr. Marco Schiró, investigador científico del Collège de France, y su equipo confirmó los resultados experimentales, ofreciendo una explicación del comportamiento de los fotones dentro del dispositivo. También se demostró que la modulación temporal reducía a la mitad la disipación de fotones dentro del metamaterial, es decir, la proporción de fotones que no se reflejaban, sino que atravesaban la superficie del material. «La teoría no solo reproduce el experimento, sino que también sienta las bases para orientar futuros descubrimientos en este sistema», se congratuló Schiró.
Habilitar futuras aplicaciones ópticas
El siguiente paso será averiguar cómo evitar aún más la disipación de fotones a través de los cristales, para luego aumentar el número de fotones atrapados en el dispositivo. Con un alto nivel de amplificación, podrían convertirse en la fuente de nuevos láseres con una modularidad sin precedentes. Este avance podría transformar la forma en que utilizamos la luz en la tecnología, especialmente en el rango de los terahercios. Al permitir la modulación de la luz en escalas de tiempo tan cortas, estos cristales de tiempo fotónicos nos acercan a nuevos tipos de láseres ultrarrápidos para la imagen médica y las comunicaciones, y permiten ajustar a demanda las propiedades de la luz —como cambiar su «color» o intensidad al instante— para conseguir sistemas ópticos más inteligentes y adaptables.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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