Chips nanofotónicos para monitorizar la actividad solar

07/02/19

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Un haz de luz está formado por campos eléctricos y magnéticos oscilatorios de muy alta frecuencia que se propagan en una cierta dirección espacial. En espacio libre, dicha oscilación se produce en un plano perpendicular a la dirección de propagación. La polarización de la luz es un parámetro que nos dice cómo el campo eléctrico se mueve en ese plano, y junto a la frecuencia, longitud de onda y amplitud nos sirve para caracterizar completamente un haz de luz. En el estudio de la interacción entre la luz y la materia, la polarización juega un papel esencial. Por ello, la medida de la polarización tiene una importancia capital en numerosas disciplinas científicas, incluyendo la bioquímica, las comunicaciones ópticas o la astronomía.

Sin embargo, la medida de la polarización – o polarimetría – es mucho más complicada que la medida de la frecuencia o la amplitud de la luz puesto que requiere de la medida simultánea de cuatro parámetros llamados parámetros de Stokes.

Durante décadas, científicos e ingenieros han usado polarímetros macroscópicos – usando una combinación de polarizadores y platos de cuarto de onda – que, pese a su buen funcionamiento, son equipos caros y voluminosos. En este sentido, el campo de la polarimetría es una excepción en la fotónica, dado que todavía no disponemos de componentes integrados, al contrario que en muchos otros componentes fotónicos como moduladores electro-ópticos, sensores fotónicos o fotodetectores.

En una perspectiva publicada en Science, Alejandro Martínez, investigador del Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) de la Universitat Politècnica de València, hace notar que la situación ha cambiado y que recientes avances en nanotecnología y nanofotónica van a permitir en breve la creación de polarímetros de altas prestaciones en chips fotónicos.

“Cuando trabajas en nanofotónica”, comenta Martínez “te das cuenta de que una de las mayores dificultades que tienes es que las nanoestructuras se comportan de forma muy diferente para distintas polarizaciones de la luz, lo que es un inconveniente para los ingenieros, dado que siempre buscamos crear dispositivos que se comporten igual independientemente de la polarización. En los últimos años, se ha hecho de este problema una virtud: si la respuesta de las nanoestructuras depende de la polarización, se pueden implementar polarímetros en la nanoescala que sean, además, integrables en un chip de silicio”.

Así, tal y como se comenta en esta perspectiva, ha habido numerosas demostraciones experimentales de nanopolarímetros en los últimos años. Unos hacen uso de metasuperficies (A) donde se dispone de una serie de nanoantenas en una superficie cuyo tamaño o forma se va variando para poder obtener la polarización de la luz que les incide. Es posible también tener nanoantenas plasmónicas que absorban solo la luz para ciertas polarizaciones (B). Por último, llega el polarímetro basado en el fenómeno conocido como interacción espín órbita (C): “Nosotros contribuimos al campo de la polarimetría demostrando un dispositivo que lo tiene todo: mide la polarización en tiempo real, localmente en una región mucho más pequeña que 1 um2 –similar al de muchos virus-, a cualquier longitud de onda y puede ser integrado en silicio sin el uso de metales que introducen pérdidas.”

En opinión de Martínez, “los polarímetros en chip deberían sustituir rápidamente a los dispositivos comerciales actuales: tienen bajo coste, la fabricación es sencilla, se pueden integrar con microelectrónica, trabajan en tiempo real, no hay inconvenientes. Para poner en un satélite y monitorizar la actividad solar, por ejemplo, serían ideales por su mínimo peso. También para monitorizar la polarización en redes ópticas de alta velocidad o en la futura internet cuántica”.