Se basa en la manipulación de nanopartículas metálicas que interactúan con un campo eléctrico
Gran parte de la vida moderna depende de la codificación de la información en los medios para su transmisión. Un método habitual es codificar los datos con luz láser y enviarlos a través de cables ópticos. La creciente demanda de mayor capacidad de información exige que encontremos constantemente mejores formas de codificarla.
Los investigadores del Departamento de Física Aplicada de la Universidad Aalto han descubierto una nueva forma de crear diminutos huracanes de luz, conocidos por los científicos como vórtices, que pueden transportar información. El método se basa en la manipulación de nanopartículas metálicas que interactúan con un campo eléctrico.
El método de diseño, perteneciente a una clase de geometrías conocidas como cuasicristales, fue concebido por el investigador doctoral Kristian Arjas y realizado experimentalmente por el investigador doctoral Jani Taskinen, ambos del grupo de Dinámica Cuántica del Profesor Päivi Törmä. El descubrimiento representa un avance fundamental en la física y conlleva el potencial de nuevas formas de transmisión de información.
Orden a medias y caos
Un vórtice es —en este caso— como un huracán que se produce en un haz de luz, donde un centro tranquilo y oscuro está rodeado por un anillo de luz brillante. Así como el ojo de un huracán está en calma debido a que los vientos a su alrededor soplan en diferentes direcciones, el ojo del vórtice está oscuro debido al campo eléctrico de luz brillante que apunta en diferentes direcciones en distintos lados del haz.
Investigaciones físicas anteriores han relacionado qué tipo de vórtices pueden aparecer con cuánta simetría hay en la estructura que los produce. Por ejemplo, si las partículas en la nanoescala se disponen en cuadrados, la luz producida tiene un único vórtice; los hexágonos producen un doble vórtice, y así sucesivamente. Los vórtices más complejos requieren al menos formas octogonales.
Ahora Arjas, Taskinen y el equipo han descubierto un método para crear formas geométricas que teóricamente admiten cualquier tipo de vórtice.
"Esta investigación se centra en la relación entre la simetría y la rotacionalidad del vórtice, es decir, qué tipos de vórtices podemos generar con qué tipos de simetrías. Nuestro diseño de cuasicristales está a medio camino entre el orden y el caos", afirma Törmä.
Imagen derecha: Láser de carga topológica alta en modos de cuasicristales plasmónicos. Crédito: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53952-5
Buenas vibraciones
En su estudio el grupo manipuló 100.000 nanopartículas metálicas, cada una de ellas de un tamaño aproximado a una centésima parte de una hebra de cabello humano, para crear su diseño único. La clave estaba en encontrar dónde las partículas interactuaban menos con el campo eléctrico deseado en lugar de más.
"Un campo eléctrico tiene puntos calientes de alta vibración y puntos donde está esencialmente muerto. Introdujimos partículas en los puntos muertos, que apagaron todo lo demás y nos permitieron seleccionar el campo con las propiedades más interesantes para las aplicaciones", dice Taskinen.
El descubrimiento abre un abanico de posibilidades de futura investigación en el campo muy activo del estudio topológico de la luz. También representa los primeros pasos hacia una forma potente de transmitir información en ámbitos en los que se necesita luz para enviar información codificada, incluidas las telecomunicaciones.
"Podríamos, por ejemplo, enviar estos vórtices a través de cables de fibra óptica y descomprimirlos en el destino. Esto nos permitiría almacenar nuestra información en un espacio mucho más pequeño y transmitir mucha más información a la vez. Una estimación optimista de cuánto sería entre ocho y dieciséis veces la información que podemos entregar ahora a través de fibra óptica", dice Arjas.
Es probable que las aplicaciones prácticas y la escalabilidad del diseño del equipo requieran años de ingeniería. Sin embargo, el grupo de Dinámica Cuántica de Aalto tiene mucho trabajo por delante con la investigación sobre superconductividad y la mejora de los LED orgánicos.
El grupo utilizó la infraestructura de investigación OtaNano para tecnologías nano, micro y cuánticas en su estudio.
El estudio se publica en la revista Nature Communications: High topological charge lasing in quasicrystals
