miércoles 22 de mayo de 2024

Investigadores nacionales logran acoplar la luz y el sonido en un nuevo metamaterial

El estudio, liderado por especialistas de Argentina en colaboración con Alemania, podría jugar un papel clave en la manipulación de tecnologías cuánticas y procesos comunicacionales a nivel microscópico.
luz
Andrés Reynoso (izquierda), Ignacio Papuccio, Alejandro Fainstein y Axel Bruchhausen, autores del estudio trabajando en el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica en Bariloche. Crédito: Marion Prieto, Instituto Balseiro.

Una investigación reciente descubrió un novedoso comportamiento en un metamaterial de fluidos de luz y sonido, creado a partir de una red de nanoláseres acoplados. El equipo responsable estuvo formado por profesionales del Instituto Balseiro, el Centro Atómico Bariloche, la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y el Paul-Drude-Institut de Alemania.

En un artículo publicado en la revista Nature Communications, les científiques describieron cómo las nanoestructuras estudiadas exhiben patrones “temporales” al fijar sus frecuencias de emisión de luz en una diferencia constante. Este hallazgo contribuye a la comprensión fundamental de este fenómeno, y abre nuevas posibilidades en la manipulación de señales de luz y sonido a escalas diminutas.

El potencial impacto de esta investigación se extiende al campo de las tecnologías cuánticas y las comunicaciones. En este sentido, podría utilizarse en la transducción de señales de microondas a luz o viceversa, un proceso esencial en la transmisión de información en redes de telefonía celular.

3 Investigadores logran medir diferencias de frecuencia en materiales revolucionarios de luz y sonido nature.com
Les investigadores cuantificaron las diferencias de frecuencia entre los nanoláseres al analizar la luz emitida durante la interacción entre fotones, electrones y fonones, que alcanzaron magnitudes de varios gigahercios. Crédito: Nature.com

Bloqueo asíncrono en metamateriales de fluidos de luz y sonido

Los experimentos se basaron en la arquitectura de una red de nanocavidades, estructuras fabricadas con semiconductores que funcionan como pequeños espejos. Estas cavidades generan un “fluido de luz” al mezclar luz y electrones, lo que da como resultado la creación espontánea de sonido o vibraciones mecánicas conocidas como fonones. Este fenómeno de interacción entre luz y sonido dio lugar al patrón observado por los físicos.

Uno de los aspectos destacados del estudio es la capacidad de les científiques para medir las diferencias de frecuencia entre los nanoláseres, que alcanzan decenas de gigahercios. Esto fue posible gracias al análisis de la luz emitida como resultado de la interacción entre fotones, electrones y fonones en estos nuevos materiales.

Según Alejandro Fainstein, uno de los autores del artículo y docente del Instituto Balseiro, la diferencia de frecuencia de la luz se fija espontáneamente en múltiplos enteros de la frecuencia del sonido, que en los experimentos es del orden del ultrasonido. Este fenómeno, conocido como “lockeo de frecuencia”, se produce debido a la comunicación entre las cavidades de la red, lo que resulta en un patrón de diferencias constantes entre las frecuencias emitidas de la luz.

2 Investigadores logran medir diferencias de frecuencia en materiales revolucionarios de luz y sonido Instituto Balseiro
Dimitri Chafatinos (izq.) y Alexander Kuznetsov durante su participación en un taller en L’Ecole de Physique des Houches, Francia. Crédito: Instituto Balseiro.

Al analizar la luz emitida durante la interacción entre fotones, electrones y fonones, les investigadores cuantificaron las diferencias de frecuencia entre los nanoláseres. Estas diferencias alcanzaron magnitudes de varios gigahercios, lo cual es notable cuando se considera que las redes de comunicaciones 5G utilizan frecuencias en el rango de 700 MHz y 3,5 GHz.

Con más de una década de trabajo, el equipo científico alcanzó un nuevo avance significativo en la investigación. Entre los logros destacados de estos años se encuentra la creación de un láser de sonido en 2020. Con este nuevo estudio, consiguieron un mayor control sobre las cavidades optomecánicas, ampliando su comprensión y capacidad de manipulación en este campo.

Este importante avance en la comprensión y manipulación de metamateriales de fluidos de luz y sonido podría tener aplicaciones significativas en el campo de las tecnologías cuánticas y las comunicaciones a nivel microscópico. Además, se propusieron posibles desarrollos futuros, como la propagación unidireccional de luz y el uso de estas redes complejas como simuladores cuánticos.

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