Crean un chip que controla la luz en tiempo real en Harvard

Investigadores de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desarrollaron un dispositivo compacto capaz de controlar activamente la "quiralidad" de la luz, un fenómeno conocido como "chirality" óptica. Este avance se logró mediante la rotación de dos capas de cristales fotónicos especialmente diseñados.

El proyecto estuvo liderado por el estudiante de posgrado Fan Du en el laboratorio de Eric Mazur, profesor de Física y Física Aplicada. El equipo diseñó un cristal fotónico de doble capa retorcido que puede ajustarse en tiempo real gracias a un sistema microelectromecánico integrado (MEMS). Esta innovación podría permitir nuevas capacidades en la detección quiral, la comunicación óptica y la fotónica cuántica.

El profesor Mazur destacó que "la quiralidad es crucial en muchos campos de la ciencia, desde la farmacología hasta la química y la biología". Al integrar cristales fotónicos retorcidos con MEMS, se creó una plataforma poderosa que se adapta a los métodos modernos de fabricación de fotónica.

Cristales Fotónicos Retorcidos y Manipulación de Luz

Los cristales fotónicos son materiales a escala nanométrica diseñados para controlar el comportamiento de la luz. Estas estructuras, tan pequeñas que caben en la punta de un alfiler, ya se utilizan en tecnologías de computación, detección y transmisión de datos a alta velocidad.

El grupo de Mazur amplió este campo aplicando conceptos de la twistrónica, que ganó atención a través de investigaciones sobre grafeno de doble capa retorcido. Al apilar dos capas de nitruro de silicio y rotarlas entre sí, los investigadores pueden crear nuevas propiedades ópticas que no existen en una sola capa.

En su estudio publicado en Optica, el equipo demostró que esta estructura de doble capa retorcida introduce naturalmente una asimetría entre izquierda y derecha, lo que la hace altamente efectiva para controlar la quiralidad de la luz. La quiralidad se refiere a objetos que no pueden superponerse a sus imágenes especulares, como las manos izquierda y derecha. En óptica, este concepto se aplica tanto a los materiales como a la luz misma, que puede viajar en un patrón helicoidal.

La luz puede rotar en sentido horario, conocido como polarización circular derecha, o en sentido antihorario, conocido como polarización circular izquierda. Aunque estas diferencias son sutiles, juegan un papel crítico en muchas aplicaciones científicas.

Importancia de la Quiralidad en la Ciencia

Diferencias pequeñas en la quiralidad pueden tener consecuencias significativas. En química y medicina, moléculas que son imágenes especulares entre sí pueden comportarse de manera muy diferente en el organismo. Un ejemplo conocido es el talidomida, un medicamento de los años 50. Una versión de la molécula ayudó a tratar las náuseas matutinas en mujeres embarazadas, mientras que su imagen especular causó graves defectos de nacimiento.

Los científicos a menudo utilizan luz quiral para estudiar tales moléculas. Las herramientas tradicionales, incluidos los platos de onda y los polarizadores lineales, pueden detectar polarización, pero son fijas en sus capacidades y limitadas en su rango.

Dispositivo Fotónico Ajustable con Control MEMS

El nuevo dispositivo de Harvard supera estas limitaciones al ser completamente ajustable. En lugar de depender de componentes estáticos, su respuesta a diferentes tipos de luz quiral puede ajustarse continuamente sin necesidad de reemplazar ninguna parte.

Esta flexibilidad proviene de su diseño de doble capa. Cuando las dos capas de cristal fotónico se acercan y rotan, la estructura se vuelve geométricamente quiral y capaz de detectar la quiralidad de la luz entrante. Interacciones fuertes entre las capas dan lugar a comportamientos de transmisión muy diferentes para la luz polarizada circular izquierda y derecha.

Mediante el uso del sistema MEMS para controlar con precisión tanto el ángulo de torsión como el espacio entre las capas, los investigadores demostraron que el dispositivo puede ajustarse para lograr una selectividad casi perfecta al distinguir la quiralidad de la luz.

Aplicaciones Futuras en Detección y Comunicaciones

El estudio también describe una estrategia de diseño más amplia para crear cristales fotónicos de doble capa retorcida con quiralidad óptica controlable. Aunque el dispositivo actual sirve como prueba de concepto, apunta hacia aplicaciones prácticas.

Sistemas futuros podrían utilizarse en detección quiral, donde los dispositivos se ajusten para detectar moléculas específicas en diferentes longitudes de onda. También podrían funcionar como moduladores de luz dinámicos en sistemas de comunicación óptica, permitiendo un control preciso de la luz directamente en un chip.

El artículo, titulado "Control dinámico de la quiralidad óptica intrínseca a través de cristales fotónicos integrados con MEMS", fue coautorado por Haoning Tang, Yifan Liu, Mingjie Zhang, Beicheng Lou, Guangqi Gao, Xuyang Li, Alsyl Enriquez y Shanhui Fan.