Metamateriales fotónicos híbridos a distintas escalas
El campo de la óptica se expande rápidamente y dos áreas importantes de investigación están relacionadas con la fotónica y los metamateriales ópticos. La primera estudia fenómenos de mesoescala, en los que paquetes de luz funcionan de forma muy parecida a como lo hacen los electrones en la electrónica. La segunda trata con estructuras en la nanoescala, con dimensiones por debajo de la longitud de onda que les confieren propiedades que no se observan fácilmente en la naturaleza. La combinación de estos dos tipos de estructuras de forma controlada en dispositivos híbridos podría dar lugar a funciones sin precedentes e inimaginables. Ya existen modelos de varias escalas desarrollados con el apoyo de la Unión Europea para el proyecto HYPHONE (Hybrid photonic metamaterials at the multiscale) que se utilizan durante el proceso de diseño. La investigación se centró en los metamateriales hiperbólicos, una de las clases más inusuales y fascinantes de metamateriales electromagnéticos. El marco teórico describe la propagación de ondas en medios inhomogéneos formados por multicapas metal-dieléctrico de escala híbrida. Estos medios aprovechan a la vez los fenómenos fotónicos y las exóticas ondas plasmónicas, que son exclusivas de los metamateriales hiperbólicos, generadas por el acoplamiento de electrones con la luz en un entorno metal-dieléctrico específico de escala nanométrica. El trabajo del proyecto se inició con capas plasmónicas 1D como piezas de construcción que después se combinaron en forma de multicapas plasmónicas y finalmente en multicapas de metamateriales hiperbólicos en varias escalas. Actualmente, los científicos buscan obtener experimentalmente estos metamateriales hiperbólicos en varias escalas, que podrían dar lugar a propiedades adecuadas para la captación de imágenes biológicas sin necesidad de marcadores y la manipulación con resolución nanoscópica, lo cual permitiría avanzar todavía más en la biología y la química modernas. A continuación, se ampliaron los principios del diseño 1D a estructuras 2D basadas en redes de nanopartículas y membranas marcadas con rendijas micrométricas, prestando atención a maximizar los efectos de las interacciones fotón-electrón. El equipo del proyecto descubrió nuevos efectos fotoeléctricos en las redes de nanopartículas que podrían allanar el camino hacia nuevos fotodetectores y celdas solares, así como métodos nuevos para la fotocatálisis, fotoquímica y fotoelectroquímica. El trabajo experimental confirmó la predicción teórica de las propiedades de control de la polarización de membranas con rendijas micrométricas en el rango de los terahercios. Este rango de frecuencias muy elevadas es relevante para muchas aplicaciones avanzadas en espectroscopia, captación de imágenes médicas y seguridad. Los modelos y los resultados experimentales de HYPHONE han cubierto el hueco de investigación que existía entre la fotónica y los metamateriales, lo cual allana el camino hacia nuevos dispositivos para aplicaciones ópticas integradas. De paso, el consorcio ha formado una nueva generación de científicos listos para hacer avanzar los límites de un campo multidisciplinar emergente que podría causar un impacto socioeconómico importante.
Palabras clave
Electromagnético, metamateriales, a distintas escalas, híbrido, fotónica, plasmónica, superresolución, fotoelectricidad, polarización, multicapa
