Oviedo/Uviéu, 04 de agosto de 2021. La refracción de la luz explica el cambio de dirección y de velocidad que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Las gafas y lentillas, los microscopios y telescopios, o algo tan cotidiano como que un lápiz introducido en un vaso de agua parece torcido cuando lo observamos desde el exterior, tienen su origen en el fenómeno óptico de refracción. Un equipo de investigación liderado por la Universidad de Oviedo ha conseguido ahora desentrañar aspectos fundamentales de la refracción de nanoluz en medios anisótropos y desarrollar la primera nanolente, lo que permitirá controlar la propagación de la nanoluz en estos medios. Este hallazgo abre posibilidades apasionantes en multitud de aplicaciones, desde el campo de la biodetección al aprovechamiento de energía, pasando por la química, la seguridad o el procesado de información.

El desarrollo de dispositivos más compactos y eficientes energéticamente requiere controlar la propagación de la luz en la nanoescala. Una de las principales alternativas para ello es el estudio de los polaritones -ondas electromagnéticas que se excitan al iluminar ciertos materiales y se propagan sobre su superficie de forma análoga a las olas en el mar. En los llamados materiales bidimensionales, cuyo espesor puede llegar a ser nanométrico, es decir, 100.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, como el grafeno, el nitruro de boro, o el trióxido de molibdeno, el tamaño de estas ondas puede llegar a ser de decenas de nanómetros, convirtiéndose en una suerte de nanoluz. Este hecho es muy prometedor para desarrollar nuevos circuitos y tecnologías ópticas de tamaño nanométrico, que abrirían la puerta a multitud de aplicaciones en comunicaciones, seguridad y sensores biológicos.

El estudio de esta nanoluz, implica, entre otras cosas, entender fenómenos ópticos fundamentales, tales como la reflexión o la refracción, y aprender a explotarlos en estas dimensiones tan diminutas. En particular, los estudios sobre nanoluz llevados a cabo hasta la fecha se han centrado en su mayoría en el uso de nanomateriales isótropos, es decir, aquellos en los que la luz se propaga de igual manera a lo largo de todas las direcciones del espacio, como, por ejemplo, el grafeno. Por el contrario, en los nanomateriales anisótropos la propagación de la luz no ocurre de la misma manera a lo largo de diferentes direcciones espaciales, lo cual ofrece interesantes oportunidades para controlar la luz de forma direccional y su explotación en futuras tecnologías fotónicas.

Ahora, un equipo internacional liderado por la Universidad de Oviedo y el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (C1NN) del CSIC en L'Entregu, en colaboración con el Donostia International Physics Center (DIPC) de San Sebastián, el CIC nanoGUNE de San Sebastián, el Moscow Institute of Physics and Technology de Rusia, la Universidad tecnológica de Dinamarca y la Universidad de Kansas de USA, ha logrado un hito al conseguir desentrañar aspectos fundamentales de la refracción de nanoluz en medios altamente anisótropos. Para ello han utilizado muestras de un material bidimensional: el trióxido de molibdeno. Aparte de su interés desde un punto de vista fundamental para entender cómo manipular eficientemente la luz en la nanoescala, estos hallazgos suponen un avance significativo con aplicaciones en computación óptica o en el desarrollo de biosensores extremadamente compactos y planos.

En concreto, el equipo de científicos ha demostrado, tanto teórica como experimentalmente, que el fenómeno de refracción de nanoluz entre dos nanomateriales anisótropos puede presentar propiedades exóticas, como la propagación a lo largo de direcciones no intuitivas (dando lugar a refracción de nanoluz sin sufrir ninguna desviación en su dirección de propagación), así como un tamaño extremadamente pequeño de las ondas refractadas (gran confinamiento). Basándose en estos hallazgos, los investigadores han diseñado un novedoso elemento óptico de dimensiones nanométricas: una lente plana de nanoluz anisótropa. Mediante este elemento, han conseguido focalizar la nanoluz en volúmenes mucho más pequeños que su longitud de onda (tamaño de la nanoluz), lo que se conoce como hiperfocalizado o hiperlente. Estas nuevas capacidades para controlar la propagación de la nanoluz abren posibilidades apasionantes en multitud de aplicaciones, desde el campo de la biodetección al aprovechamiento de energía, pasando por la química, la seguridad o el procesado de información.

“Fue algo totalmente inesperado ser capaces de visualizar tan nítidamente el fenómeno de refracción anómala de nanoluz en nanomateriales altamente anisótropos”, afirma Jiahua Duan, investigador postdoctoral en el grupo de Nanoóptica Cuántica de la Universidad de Oviedo y primer autor principal del trabajo de investigación. “Con este conocimiento, se podrían desarrollar hiperlentes refractivas en el rango de frecuencias del infrarrojo”.

“Durante el análisis de las medidas experimentales, nos dimos cuenta de que el fenómeno de refracción entre dos medios anisótropos resultaba antiintuitivo en comparación con los medios isótropos convencionales”, dice Gonzalo Álvarez-Pérez, estudiante predoctoral en el mismo grupo y segundo autor principal del trabajo de investigación. “Nuestras observaciones también revelaron un efecto óptico exótico: refracción de luz sin sufrir desviación en su dirección de propagación, que podría tener interesantes aplicaciones para manipular la propagación de la nanoluz en nanomaterials altamente anisótropos”

“Los resultados tienen un gran potencial para integrar dispositivos ópticos planos en la nanoescala, dado que la dirección de propagación de la nanoluz puede ser controlada eficientemente mediante el uso de elementos ópticos nanométricos”, explica Javier Martín-Sánchez, investigador Ramón y Cajal en el grupo de Nano-óptica Cuántica.

“Este trabajo proporciona un conocimiento fundamental sólido sobre nanoóptica en medios anisótropos naturales y abre la puerta a un control de la nanoluz sin precedentes”, concluye Pablo Alonso-González, líder del grupo de investigación y del trabajo.