Los investigadores han sido pioneros en el diseño y manipulación de órbitas de fotones a través de disposiciones físicas específicas, lo que ha llevado a posibles avances en tecnologías ópticas y… Computación cuántica.
En su última investigación, científicos de la Universidad de Twente (Países Bajos) han obtenido importantes conocimientos sobre las partículas elementales que componen la luz. Estas partículas, los fotones, se “comportan” con una diversidad sorprendentemente mayor que los electrones que rodean a los átomos, y al mismo tiempo son más fáciles de controlar. Estos nuevos conocimientos tienen una amplia gama de aplicaciones, desde iluminación LED inteligente hasta nuevos fragmentos de información fotónica controlados por circuitos cuánticos y sensores sensibles a nanoescala.
Comprender los orbitales de electrones y fotones
En los átomos, pequeñas partículas elementales llamadas electrones ocupan regiones alrededor del núcleo en formas llamadas orbitales. Estos orbitales dan la probabilidad de encontrar un electrón en una región particular del espacio. La mecánica cuántica determina la forma y la energía de estos orbitales. Al igual que con los electrones, los investigadores también describen la región del espacio donde es más probable que se encuentre un fotón con órbitas.
«Cualquier forma salvaje que diseñes».
Investigadores de la Universidad de Twente estudiaron estos orbitales de fotones y descubrieron que mediante un diseño cuidadoso de materiales específicos, podían crear y controlar estos orbitales en una gran variedad de formas y simetrías. Estos resultados tienen aplicaciones potenciales en tecnologías ópticas avanzadas y computación cuántica.
«En la química escolar, los electrones siempre giran alrededor del pequeño núcleo atómico en el centro del orbital», explica el primer autor Kozon, «por lo que la forma del orbital del electrón no puede desviarse demasiado de una esfera perfecta. En el caso de los fotones, los orbitales pueden tener diferentes formas». cualquier forma salvaje que diseñes combinando diferentes materiales visuales en arreglos espaciales diseñados.
Diseño de la órbita fotónica mediante estudios computacionales.
Los investigadores llevaron a cabo un estudio computacional para comprender cómo se comportan los fotones cuando están confinados en una nanoestructura 3D específica que consta de poros diminutos (un cristal fotónico). Estas cavidades están diseñadas intencionalmente para contener defectos, creando una superestructura que aísla los estados fotónicos del entorno circundante.
“Dado el rico conjunto de herramientas de la nanotecnología, es mucho más fácil diseñar nanoestructuras elegantes con nuevos orbitales fotónicos que modificar átomos para lograr nuevos orbitales electrónicos y química”, afirman entusiasmados los físicos Voss y Lagendijk.
Impacto del diseño de nanoestructuras en la fotónica.
Las órbitas fotónicas son importantes para el desarrollo de tecnologías ópticas avanzadas, como la iluminación eficiente, la computación cuántica y los sensores fotónicos sensibles.
Los investigadores también estudiaron cómo estas nanoestructuras mejoran la densidad local de los estados ópticos, lo cual es importante para aplicaciones en electrodinámica cuántica de cavidades. Descubrieron que las estructuras con defectos más pequeños revelaban una mayor mejora que aquellas con defectos más grandes. Esto los hace más adecuados para fusionar puntos cuánticos y crear redes de fotones individuales.
Referencia: “Simetrías y funciones de onda de fotones confinados en superredes de banda prohibida fotónica 3D” por Marek Kozon, Ad Lagendijk, Mathias Schlotbohm, Jaap J. W. van der Vegt y Willem L. Vos, 20 de junio de 2024, Revisión física b.
DOI: 10.1103/PhysRevB.109.235141
La investigación fue realizada por Marek Kozon, Ad Lagendijk, Mathias Schlotbohm, Jaap van der Vegt y Willem Vos de la Universidad de Twente. Marek es un físico teórico que se graduó recientemente en las cátedras COPS y MACS (ahora en Pixel Photonics GmbH, una sola empresa). Fotón Empresa de detectores en Alemania Matthias y Jaap son profesores en MACS, y Ad y Willem son profesores en COPS.
El trabajo cuenta con el apoyo del Programa NWO-CSER, Proyecto «Comprender la absorción de luz de interferencia para mejorar la eficiencia de las células solares». Bajo el Proyecto No. 680.93.14CSER035; Programa NWO-JCER, Proyecto»Cálculo preciso y eficiente de propiedades ópticas de nanoestructuras para la optimización de células fotovoltaicas.“En el marco del Proyecto N° 680-91-084, Proyecto NWO-GROOT”;Cuasicristales fotónicos icosaédricos de banda prohibida autoensamblados para luz visible“Bajo el Proyecto No. OCENW.GROOT.2019.071; Programa de perspectiva NWO-TTW págs. 15-36Óptica de dispersión libre(FFSO); y el Instituto de Nanotecnología MESA+, Departamento de Nanofotónica Aplicada (ANP).
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