Innovador dispositivo óptico hace realidad conceptos de la física teórica

En la Catedral de St. Paul en Londres, en una parte de la cúpula, llamada “Galería de los Suspiros”, como resultado de la forma en que las ondas sonoras viajan alrededor de la superficie curvada, un susurro es audible desde el otro lado de la cúpula. Un equipo de investigadores, de la Universidad de Washington en St. Louis, ha utilizado el mismo fenómeno para construir un dispositivo óptico que puede conducir a nuevas computadoras que operen más rápidamente y con menos producción de calor.

En un diodo óptico, la entrada de luz en una dirección se transmite mientras la entrada de luz en la dirección opuesta está bloqueada. El nuevo diodo óptico está hecho de microresonadores simétricos de tiempo paridad en los que la pérdida en uno de los resonadores se compensa con la ganancia en el otra. El quebrantamiento de la simetría partidad tiempo, al ajustarse la fuerza de acoplamiento entre los resonadores, conduce a una fuerte localización de campo y, por tanto, permite la transmisión de la luz en una vía, en base a la fata de linealidad. Crédito: Lan Yang

Lan Yang, profesora adjunta de ingeniería eléctrica y de sistemas, y sus colaboradores, han desarrollado un componente esencial de esas nuevas computadoras que utilizarían la luz para operar. Su trabajo hace realidad unas predicciones de la física teórica formuladas recientemente.
El grupo de Yang ha creado un diodo óptico al acoplar diminutos resonadores ópticos en forma de rosquilla – uno que produce una ganancia y el otro una pérdida – en un chip de silicio. ” Este diodo es capaz de eliminar por completo la transmisión de luz en una dirección, y en gran medida mejora la transmisión de luz en la otra transmisión de la luz no recíproca”, dice Bo Peng, un estudiante graduado que forma parte del grupo de Yang, y quien es autor principal del artículo que se publica en Nature Physics.
Un diodo eléctrico evita que la electricidad fluya hacia atrás en un alambre, y proporciona protección a las partes cruciales de un circuito electrónico o de un procesador; un diodo óptico hace lo mismo, pero con la luz.
“Creemos que nuestro descubrimiento será de beneficio en muchos otros campos relacionados con la electrónica, la acústica, la plasmónica y los metamateriales”, dice Yang. “El acoplamiento de dispositivos de ganancia y perdida usando simetría PT (paridad-tiempo) podría permitir avances en dispositivos de ocultamiento, láseres más fuertes que necesitan menos potencia de entrada, e incluso detectores que pueden “ver” un solo átomo”.
En pocas palabras, cuando un sistema de “pérdida” se junta con un sistema de “ganancia”, de tal manera que la pérdida de energía es exactamente igual a la ganancia en un punto de equilibrio, se produce una “transición de fase”.
La aplicación de los principios de la simetría PT conduce a una óptica con un comportamiento completamente diferente, que no está previsto por la física convencional. Los fenómenos que se producen en la “fase de transición” son dramáticos y hasta ahora inesperados, dice Yang.
Yang y Ozdemir creen que el concepto PT puede ser extendido a la electrónica, la acústica y a otros campos para crear canales en un solo sentido, y dispositivos fotónicos con funcionalidades avanzadas. Los investigadores ya están trabajando en nuevos experimentos que dependen de la simetría PT.
Artículo científico: Peng B, Ozdemir S, Lei F, Monifi F, Gianfreda M, Long G, Fan S, Nori F, Bender C, Yang L. Parity-time-symmetric whispering gallery microcavities. Nature Physics (2014), doi: 10.1038/NPHYS2927.
Fuente: Washington University in St. Louis