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Un profesor ha creado la esfera «mágica» para la transferencia de información. En varios años nuestros ordenadores, nanoantenas y otros tipos de equipos operarán en  base a fotones en lugar de electrones. Incluso ahora casi estamos preparados para llevar a cabo este cambio. Si sucede, las esferas pueden llegar a ser uno de los componentes elementales de los nuevos dispositivos fotónicos.  Los resultados del estudio fueron publicados en el último número de Scientific Reports, que es parte de Nature Publishing Group.

Las potencialidades de los ordenadores electrónicos convencionales se van a agotar. Durante cuatro décadas, la ley de Moore (según la cual la velocidad del procesador se duplica cada 18 meses) se cumplió debido al aumento de la frecuencia de operación de un solo procesador. Ahora, el mismo al resultado se llega por medio de la computación paralela – contamos con procesadores de doble núcleo, así como de cuatro núcleos. Esto significa que los procesadores de un solo núcleo no son capaces de hacer frente a la velocidad de cálculo exigida; por otra parte, no es posible aumentar esta velocidad más porque la frecuencia de funcionamiento del procesador en computadoras modernas está cerca del límite teórico. También el proceso de multiplicar el número de núcleos tiene fin: los cálculos indican que pronto se llegará al límite. Es por eso que  equipos de investigación de todo el mundo están trabajando en la creación de sistemas ópticos súper rápidos, que serían capaces de reemplazar a los ordenadores electrónicas.

Por un lado, estos sistemas deben ser tan pequeños como sea posible. Por otro lado, la radiación óptica tiene su propia escala – la longitud de onda (en el rango visible del espectro es de unos 0.5 micrómetros). Esta escala es demasiado grande para ser implementada en los dispositivos electrónicos modernos con disposición de elementos ultradensa. Para competir con tales dispositivos electrónicos, los sistemas ópticos deben trabajar en escalas mucho más cortas que las longitudes de onda. Estos problemas están comprendidos en el ámbito de una disciplina moderna, llamada «óptica sublongitud de onda» (subwavelength optics). Su objetivo es manipular con la radiación electromagnética en escalas más cortas que su longitud de onda – en otras palabras, hacer cosas, que se consideraban como conceptualmente imposibles en las ópticas tradicionales de lentes y espejos.

Hasta hace poco la óptica sublongitud de onda puso grandes esperanzas en los efectos relacionados con la interacción de la luz con los llamados, plasmones – oscilaciones colectivas del gas de electrones libres en los metales. En el caso de las partículas de metal con tamaños de unos 10 nm las frecuencias de las oscilaciones del gas de electrones caen dentro del rango de la banda óptica. Si una partícula tal se irradia con una onda electromagnética, cuya frecuencia es igual a la de un plasmón, se produce una oscilación de la partícula a la frecuencia de resonancia. En la resonancia, la partícula actúa como un embudo, que «toma» energía de la onda electromagnética del ambiente externo y la convierte en energía de las oscilaciones del gas de electrones. Este proceso puede ir acompañado de una amplia gama de efectos muy interesantes que, en principio, se podrían emplear en diversas aplicaciones.

Por desgracia, la mayor parte de las expectativas relacionadas con la plasmónica no se ha justificado. El hecho es que, incluso muy buenos conductores eléctricos (por ejemplo, cobre o platino) presentan gran resistencia eléctrica cuando la frecuencia de la corriente eléctrica es del mismo orden de magnitud que la de la luz visible. Por lo tanto, como regla general, las oscilaciones de plasmones están fuertemente amortiguadas, y la amortiguación anula los efectos útiles de los que se podría hacer uso.

Es por eso que hace poco, científicos dirigen su atención a materiales dieléctricos con alto índice de refracción. No hay electrones libres en estos materiales porque todos ellos están conectados con sus átomos; y el impacto de la luz no induce corriente de conducción. Al mismo tiempo, la onda electromagnética afecta a los electrones dentro del átomo y los desplaza desde las posiciones de equilibrio. Como resultado, los átomos adquieren  momento eléctrico inducido; este proceso se llama «polarización». Cuanto mayor sea el grado de polarización, mayor es el índice de refracción del material. Resultó que cuando una esfera hecha de un material con alto índice de refracción interactúa con la luz, el resultado de esta interacción en gran medida se asemeja a la de resonancia de plasmón anteriormente descrita en metales con una (pero muy importante) excepción: una amplia gama de materiales dieléctricos – a diferencia de los metales – tienen débil  amortiguación en las frecuencias ópticas. A menudo usamos esta propiedad de los dieléctricos en nuestra vida cotidiana – por ejemplo, la débil amortiguación en las frecuencias ópticas es la clave para la transparencia del vidrio.

En anteriores trabajos por el profesor Michael Tribelsky (Mikhail Tribel’skii) de la Facultad de Física, MV Lomonosov Moscow State University y la Universidad Estatal de Moscú de Tecnologías de la Información, Radioingeniería y Electrónica MIREA, dio el impulso inicial a la investigación descrita anteriormente. El científico dice: «Si utilizamos el lenguaje de la física cuántica, mientras que hablamos de la excitación de plasmones, podemos decir que un cuanto de luz, los fotones se, convierte en un cuanto de oscilaciones de plasmones. A mediados de los 80 tuve la siguiente idea: ya que todos los procesos en la mecánica cuántica son reversibles, el proceso invertido de la conversión de plasmones a fotón debería existir también. Entonces, llegué a la conclusión de que existe un nuevo tipo de dispersión de la luz. Este fue el caso de hecho. Por otra parte, se le ocurrió que este nuevo tipo de dispersión de la luz tiene muy poco en común con el descrito en todos los libros de texto de dispersión de Rayleigh«. Como resultado, se publicó el artículo «dispersión resonante de la luz por partículas pequeñas,» Tribel’skii MI, Sov. Phys. JETP 59 [2], 534 (1984): http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_059_03_0534.pdf . Sin embargo, en 1984 esta obra no podría atraer la atención de los científicos, porque no existían las nanotecnologías todavía. La primera cita de este trabajo se produjo en el año 2004 – exactamente 20 años después de su publicación. Hoy en día, este tipo de dispersión, llamada «anómala», es ampliamente reconocida. Por desgracia, incluso en el caso de la dispersión anómala, una vez más, nos encontramos ante el papel fatal de la disipación. Con el fin de observar la dispersión anómala es necesario el uso de metales con muy débil amortiguación a frecuencias ópticas.

La pregunta muy natural en este caso es: si tomamos la ventaja de la amortiguación débil de los dieléctricos, ¿será la esfera hecha de materiales dieléctricos con alto índice de refracción capaz de demostrar los efectos que no se pueden observar en el caso de resonancias de plasmones en metales con una fuerte amortiguación? Para responder a la pregunta, el laboratorio del profesor Tribelsky (Facultad de Física, MV Lomonosov Moscow State University) inició e una investigación conjunta con colegas franceses y españoles. Los científicos experimentaron con una esfera dieléctrica con un diámetro de aproximadamente 2 cm, hecha de cerámicas especiales, y «enseñada» a redirigir el haz incidente ondas electromagnéticas de una manera deseada. Por otra parte, la direccionalidad de la dispersión se puede controlar y cambió drásticamente simplemente mediante la regulación fina de la frecuencia de la onda incidente.

De acuerdo con la explicación de Tribelsky, esta esfera tiene líneas de resonancia bastante estrechas relacionadas con sus oscilaciones de polarización. En un sentido, es bastante análoga a una esfera de metal, que tiene las frecuencias de resonancia relacionados con las oscilaciones del gas de electrones libres. Cada línea corresponde a la excitación de un modo de oscilación en particular, llamados armónicos o modos parciales. Cada armónico se caracteriza por una dependencia fija entre la intensidad de dispersión y el ángulo de dispersión. Esta dependencia se determina por la naturaleza de un armónico dado. El campo de dispersión total de la esfera es una suma de las contribuciones de todos los (onda parcial) armónicos. Las ondas parciales interfieren entre sí. La anchura estrecha de estas líneas permite excitar modos parciales selectivamente y controlar la interferencia. Esto, a su vez, permite la reorientación de la radiación incidente en la forma deseada. ¡Eso es! Se logra la manipulación controlada con la radiación.

«Sin embargo, ¿por qué hablamos de nanoscalas si el diámetro de la esfera es de aproximadamente 2 cm? Eso es sólo el punto. Prof. Tribelsky dice: «Puedo hablar libremente acerca de la belleza experimental de este trabajo ya que soy un teórico. Acabo de participar en la planificación del experimento, mientras que todo el trabajo experimental difícil ha sido hecho por mis colegas franceses, en cuanto a la belleza experimental de este trabajo, es la  siguiente: con la ayuda de la radiación de microondas – similar a la utilizada en un horno – hemos logrado simular en una escala de centímetros todos los procesos que se producen a nanoescala con la luz visible Es ampliamente conocido: si tenemos dos objetos de la misma forma pero de diferentes tamaños y con el mismo índice de refracción, que dispersan las ondas electromagnéticas de la misma manera, siempre que la relación entre las dimensiones lineales objetos de la longitud de onda es la misma para ambos los objetos. Esta fue la idea de nuestros experimentos. Sin embargo, el camino desde la idea de los resultados fue muy difícil. Se bastó para decir que los investigadores lograron separar la señal deseada de fondo cuya amplitud a veces era de 3000 veces más grande (!) que la de la señal«.

Teniendo en cuenta las posibles aplicaciones prácticas de los resultados obtenidos, es importante subrayar que la técnica de fabricación de tales nanoesferas para la manipulación de la radiación infrarroja óptica es cercana,  bastante barata y simple. No requiere ningún material «exótico», caro, y / o equipo sofisticado. Además de los equipos ópticos (que, hoy en día, sin embargo, permanecen en la esfera de la realidad virtual), las esferas a  nanoescala que se describen en el documento de Tribelsky y coautores pueden ser utilizadas en la amplia gama de diferentes campos: sistemas de telecomunicaciones; registro, procesamiento y almacenamiento de la información; diagnóstico y el tratamiento de diferentes enfermedades incluyendo oncológicas, etc.

Fuente: Michael I. Tribelsky, Jean-Michel Geffrin, Amelie Litman, Christelle Eyraud, Fernando Moreno. Small Dielectric Spheres with High Refractive Index as New Multifunctional Elements for Optical Devices. Scientific Reports, 2015; 5: 12288 DOI: 10.1038/srep12288