Los investigadores crean estados exóticos que podrían conducir a nuevos tipos de sensores y dispositivos ópticos.
El cono de Dirac, llamado así por el físico británico Paul Dirac, comenzó como un concepto en la física de partículas y alta energía y recientemente se ha vuelto importante en la investigación de la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales. Desde entonces, se ha descubierto que describe aspectos del grafeno, una forma bidimensional de carbono, lo que sugiere la posibilidad de aplicaciones en varios campos.
Ahora, los físicos del MIT han encontrado otro fenómeno inusual producido por el cono de Dirac: puede generar un fenómeno descrito como un “anillo de puntos excepcionales”. Esto conecta dos campos de investigación en física y puede tener aplicaciones en la construcción de potentes láseres, sensores ópticos precisos y otros dispositivos.
Los resultados se publican esta semana en la revista Nature por el postdoctorado del MIT Bo Zhen, el postdoctorado de la Universidad de Yale Chia Wei Hsu, los profesores de física del MIT Marin Soljačić y John Joannopoulos, y otros cinco.
Este trabajo representa “la primera demostración experimental de un anillo de puntos excepcionales”, cube Zhen, y es el primer estudio que relaciona la investigación en puntos excepcionales con los conceptos físicos de simetría paridad-tiempo y conos de Dirac.
Los puntos excepcionales individuales son un fenómeno peculiar exclusivo de una clase inusual de sistemas físicos que pueden conducir a fenómenos contrarios a la intuición. Por ejemplo, alrededor de estos puntos, los materiales opacos pueden parecer más transparentes y la luz puede transmitirse solo en una dirección. Sin embargo, la utilidad práctica de estas propiedades está limitada por la pérdida por absorción introducida en los materiales.
El equipo del MIT utilizó un materials de nanoingeniería llamado cristal fotónico para producir el anillo excepcional. Este nuevo anillo de puntos excepcionales es diferente de los estudiados por otros grupos, lo que lo hace potencialmente más práctico, dicen los investigadores.
“En lugar de la pérdida por absorción, adoptamos un mecanismo de pérdida diferente, la pérdida por radiación, que no afecta el rendimiento del dispositivo”, cube Zhen. “De hecho, la pérdida de radiación es útil y necesaria en dispositivos como los láseres”.
Este fenómeno podría permitir la creación de nuevos tipos de sistemas ópticos con características novedosas, cube el equipo del MIT.
“Una posible aplicación importante de este trabajo es la creación de un sistema láser más potente de lo que permiten las tecnologías existentes”, cube Soljačić. Construir un láser más potente requiere un área de láser más grande, pero eso introduce más “modos” no deseados para la luz, que compiten por la potencia, lo que limita la salida last.
“Los láseres emisores de superficie de cristal fotónico son un candidato muy prometedor para la próxima generación de sistemas láser compactos de alta potencia y alta calidad”, cube Soljačić, “y estimamos que podemos mejorar el límite de potencia de salida de dichos láseres en un issue de al menos 10.”
“Nuestro sistema también podría usarse para detectores de alta precisión para materiales biológicos o químicos, debido a su extrema sensibilidad”, cube Hsu. Esta sensibilidad mejorada se debe a otra propiedad exótica de los puntos excepcionales: su respuesta a las perturbaciones no es lineal a la fuerza de la perturbación.
Normalmente, cube Hsu, se vuelve muy difícil detectar una sustancia cuando su concentración es baja. Cuando la concentración de la sustancia objetivo se scale back un millón de veces, la señal common también se scale back un millón de veces, lo que puede hacer que sea demasiado pequeña para detectarla.
“Pero en un punto excepcional, ya no es lineal”, cube Hsu, “y la señal se scale back solo 1000 veces, lo que proporciona una respuesta mucho mayor que ahora se puede detectar”.
Demetrios Christodoulides, profesor de óptica y fotónica en la Universidad de Florida Central que no participó en este trabajo, cube: “Esto representa la primera observación de un anillo excepcional en un cristal 2-D asociado con una banda bidimensional. El trabajo del MIT abre una serie de oportunidades… en specific, en torno a puntos excepcionales donde se sabe que los sistemas en muchas ocasiones se comportan de una manera peculiar”.
El equipo de investigación también incluyó a Yuichi Igarashi de NEC Corp. en Japón y al científico investigador del MIT Ling Lu, el postdoctorado Ido Kaminer, el estudiante graduado de la Universidad de Harvard Adi Choose y Tune-Liang Chua en el Laboratorio Nacional DSO en Singapur. El trabajo fue apoyado, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía.
