La Universidad de Harvard diseña un material en un chip por el que la luz viaja infinitamente rápida

Investigadores de la Universidad de Harvard han diseñado el primer metamaterial que cabe en un chip con refracción cero, lo que significa que la fase de la luz puede viajar infinitamente rápida. Este nuevo metamaterial, que facilita la manipulación de la luz a escala nanométrica para que las conexiones ópticas pueden integrarse en los sistemas de telecomunicaciones y ordenadores, se describe en la revista Nature Photonics.

"A la luz no le gusta normalmente ser exprimida o manipulada pero este metamaterial permite manipular la luz de un chip a otro, para exprimir, doblar, retorcer y reducir el diámetro de una línea de luz de la macroescala de la nanoescala", dijo Erick Mazur, jefe del laboratorio de Física Aplicada. "Es una nueva forma remarcable para manipular la luz."

Aunque esta infinitamente alta velocidad suena como que rompe la regla de la relatividad, no es así. Nada en el universo viaja más rápido que la información que lleva la luz; Einstein sigue teniendo razón en eso.

Pero la luz tiene una velocidad distinta, medida por la rapidez de las crestas de una medida de longitud de onda, conocida como velocidad de fase. Esta velocidad de luz aumenta o disminuye en función del material a través de la que se está moviendo.

Cuando la luz pasa a través del agua, por ejemplo, su velocidad de fase se reduce a medida que sus longitudes de onda queden aplastadas juntas. Una vez que sale del agua, aumenta su velocidad de fase de nuevo a medida que su longitud de onda se alarga.

La medida en que las crestas de una onda de luz se ralentizan en una material se expresa como una proporción llamada el índice de refracción: cuanto mayor es el índice, más interfiere el material con la propagación de las crestas de las ondas de luz.

Cuando el índice de refracción se reduce a cero, cosas realmente extrañas e interesantes comienzan a suceder. En un material de índice cero, no hay avance de fase, es decir, la luz ya no se comporta como una onda en movimiento, viajando a través del espacio en una serie de crestas y valles.

En lugar de ello, el material de índice cero crea una fase constante -a través de las crestas o valles- que se extiende en las longitudes de onda infinitamente largas. Las crestas y valles oscilan sólo como una variable de tiempo, no en el espacio.

Esta fase uniforme permite que la luz sea alargada o deformada, torcida o devuelta, sin perder energía. Un material de índice cero que cabe en un chip podría tener aplicaciones interesantes, especialmente en el mundo de la computación cuántica.

"Circuitos fotónicos integrados se ven obstaculizados por el débil e ineficiente confinamiento de la energía óptica en guías de onda de silicio estándar", dijo Yang Li, un becario postdoctoral en el Grupo de Mazur y primer autor del artículo. "Este metamaterial índice cero ofrece una solución para el confinamiento de la energía electromagnética en diferentes configuraciones de guía de onda, debido a que su alta velocidad de fase interna produce la transmisión completa, independientemente de cómo esté configurado el material".

El metamaterial se compone de matrices de silicio insertadas en una matriz polimérica y enfundadas en una película de oro. Puede asociarse a guías de onda de silicio para interactuar con los componentes fotónicos integrados estándar y chips. "Este metamaterial dentro de un chip abre la puerta a la exploración de la física de índice cero y sus aplicaciones en óptica integrada", dijo Mazur.