Si bien la velocidad de la luz en el vacío es constante y no se puede exceder, se puede reducir en otros medios, lo que significa que se puede manipular más, lo cual es crucial en el diseño de chips fotónicos.
«Cuando la luz se ralentiza, la densidad de energía de la luz aumenta», dijo el Dr. Li Guangyuan, investigador de ingeniería óptica en el instituto de Shenzhen que dirigió el estudio.
«Esto significa que con la misma longitud del dispositivo, la distancia efectiva para que la luz interactúe se vuelve más larga, lo que esencialmente mejora el rendimiento de un dispositivo fotónico».
El equipo de Li diseñó un chip fotónico de manera que ralentizaba la luz más de 10.000 veces. Dijeron que esto se hizo con una pérdida de energía muy reducida, que fue sólo alrededor del 20 por ciento de la pérdida observada en intentos anteriores.
El método actual para controlar la velocidad de la luz se basa en metasuperficies: materiales artificiales compuestos de nanoestructuras. Cuando la luz incide sobre estas nanoestructuras, resuenan, alterando su amplitud y fase.
Pero la absorción material y la dispersión de la luz producida por estos átomos artificiales pueden provocar una pérdida de luz que reduce la vida útil de los fotones, limitando el grado en que se puede reducir la velocidad de la luz.
Para solucionar este problema, el equipo de Li realizó mejoras en los materiales utilizados y el diseño estructural.
«En términos de selección de materiales, optamos por materiales con baja o incluso nula pérdida de absorción en las longitudes de onda de interés», dijo Li.
“Por ejemplo, los metales tienen una fuerte absorción en el espectro infrarrojo, por eso utilizamos materiales de silicio sin pérdidas. Sin embargo, el silicio absorbe fuertemente en el espectro de luz visible, por lo que en esos casos utilizamos materiales transparentes como nitruro de silicio o dióxido de titanio”.
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Para el diseño estructural, los investigadores mejoraron un concepto llamado resonancia reticular superficial, que implicaba un patrón superficial periódico para evitar la pérdida de energía.
«Diseñamos una estructura de superficie periódica de nanodiscos de silicio de 100 nanómetros», dijo Li.
“Este diseño desplaza la trayectoria de la luz desde el interior de las nanoestructuras hasta sus superficies, reduciendo en gran medida la pérdida de absorción de material. Además, algunos fotones que se pierden debido a la dispersión son recapturados por estructuras adyacentes, reincorporándose al proceso de propagación y extendiendo la vida útil del fotón”.
Li dijo que la tecnología también podría reducir los costos de fabricación de chips fotónicos y aumentar sus aplicaciones.
«Al utilizar la tecnología de metasuperficie, los chips fotónicos pueden ser tan delgados como pegatinas o bloques de construcción, lo que permite un apilamiento funcional», dijo.
Utilizando esa tecnología, los investigadores han podido utilizar chips fotónicos para dispositivos como sensores, láseres y LED en los últimos años.
«El rendimiento de estos dispositivos fotónicos está limitado por la muy limitada duración de interacción en estos chips fotónicos ultrafinos», dijo Li. «Al utilizar el efecto de luz lenta, el rendimiento se puede mejorar significativamente».
