La interacción ente la lluz y materiales d'espesura atómica o nanómetrico, hasta 100.000 vegaes más pequenos qu'un pelo humano, ufierta interesantes posibilidaes pa les nueves tecnoloxíes del futuru. Estes inclúin diseños innovadores pa circuitos integraos, computación óptica y biosensores. L'impactu d'estes innovaciones toma diversos campos, como les telecomunicaciones y les ciencies biomédicas. Agora, un equipu internacional d'investigadores, lideráu pol Grupu de Nano-óptica Cuántica de la Universidá d'Uviéu y el Centru d'Investigación de Nanomateriales y Nanotecnología (CINN-CSIC), xuntu col Grupu de Nanofotónica 2D del Donostia International Physics Center (DIPC) n'España, dio un pasu significativu. Nun estudiu publicáu na prestixosa revista científica Nature Materials, demostraron la posibilidá de reconfigurar y enriar la lluz na nanoescala a lo llargo de cualquier dirección y so demanda.

Nel centru d'esti afayu atopen los conocíos como materiales bidimensionales (2D), xuna familia de materiales escepcionalmente finos, d'unos pocos átomos d'espesura, y que son tremendamente interesantes yá que esiben propiedaes úniques en comparanza con materiales d'espesures munchos mayores. Por casu, pueden tener una resistencia bien alta, gran flexibilidá y xuna conductividá eléctrica y térmica elevada, lo que-yos dexa conducir eficientemente tantu la eletricidá como'l calor. Amás, estes llámines puédense apilar n'estructures compuestes por distintos materiales que combinando les sos propiedaes faen posible la fabricación de heteroestructuras multifuncionales.

En particular, nel añu 2020, cuatro estudios simultáneos de grupos d'investigación internacionales, ente los que s'atopa'l grupu de Nano-óptica Cuántica de la Universidá d'Uviéu, revolucionaron la manipulación de la lluz na nanoescala (nanoluz) al combinar distintes capes de dichos materiales 2D. Estos grupos atoparon que non solo ye posible camudar delles propiedaes del espardimientu de la nanoluz superponiendo distintes capes, sinón que l'alliniación y orientación precisa ente les mesmes tamién desempeñen un papel crucial. Superponiendo dos llámines desaxeradamente fines del material utilizáu nos sos esperimentos, el trióxidu de molibdenu (MoO3), y xirando xuna d'elles un ángulu específicu respectu de la otra, conocíu como ángulu máxicu, esti investigadores repararon que la nanoluz arrobinar nuna única dirección, esto ye, enríase. "Intuitivamente, esto puédese visualizar como un cable o guía natural pa la lluz na nanoescala", comenta Jiahua Duan, autor principal d'unu de los cuatro estudios realizaos en 2020 ya investigador de la Universidá d'Uviéu. Estos esperimentos innovadores sentaron les bases pa un nuevu campu d'investigación denomináu twistóptica, onde l'oxetivu principal ye emponer y manipoliar la lluz na escala nanométrica superponiendo capes de materiales bidimensionales, pero con un ciertu ángulu de xiru ente elles.

Agora, l'equipu internacional d'investigadores dio un pasu significativu nel campu de la twistóptica. Nos sos esperimentos, los científicos utilizaron trés capes superpuestes de MoO3 y camudaron repetidamente los ángulos ente elles, re-ensamblando asina les tricapas resultantes. Al escitar la lluz utilizando xuna antena de tamañu nanométrico, consiguieron controlar el so espardimientu na nanoescala baxu demanda. Ente que en bicapas rotadas esiste un solu ángulu que dexa enriar la lluz a lo llargo d'una dirección, les tricapas esiben múltiples ángulos máxicos que dexen enriar la lluz a voluntá a lo llargo de cualquier dirección. Entá más interesantemente, los ángulos máxicos nes tricapas y, poro, les direcciones de canalización, son estables pa un ampliu rangu d'enerxíes, lo cual ye fundamental pa l'aplicación tecnolóxica d'esti fenómenu ópticu.

"La visualización de la canalización de nanoluz en tricapas nun rangu espectral tan ampliu foi realmente inesperada. Añedir una tercer llámina nestos sistemes rotados paez tener implicaciones físiques más fondes de les qu'ún pueda pensar primeramente", destaca Pablo Alonso González, líder del Grupu de Nano-Óptica Cuántica de la Universidá d'Uviéu. "La esistencia de dellos ángulos máxicos en tricapas d'estos materiales y el fechu de qu'esos ángulos sían espectralmente robustos déxanos controlar la lluz na escala nanométrica como nunca antes", amiesta Gonzalo Álvarez Pérez, investigador predoctoral del mesmu grupu y coprimer autor del artículu. "La capacidá de camudar arbitrariamente la dirección de la canalización ensin ensamblar xuna nueva estructura, sinón a cencielles xirando llixeramente la capa cimera, lleva la twistóptica al siguiente nivel", afirma Kirill Voronin, investigador predoctoral del Grupu de Nanofotónica 2D en DIPC.

Poro, esta meyora abrió nueves posibilidaes pa manipoliar la lluz en dispositivos y aplicaciones na escala nanométrica. "La canalización robusta de lluz puede utilizase potencialmente nel desenvolvimientu de circuitos ópticos ultracompactos, según n'otres aplicaciones como biosensores, xestión del calor y tecnoloxíes de comunicación", esplica Christian Llanza, investigador predoctoral nel Grupu de Quantum Nano-Óptica de la Universidá d'Uviéu y coprimer autor del trabayu.

Cuando se superponen trés capes de MoO3 d'espesura nanométrico y xírense a los ángulos máxicos, la nanoluz puede enriase a voluntá. La ilustración amuesa'l potencial d'esti fenómenu pa desenvolver nanodispositivos de próxima xeneración, como nanorouters.
Referencia
“Multiple and spectrally robust photonic magic angles in reconfigurable α-MoO3 trilayers” J. Duan, G. Álvarez-Pérez, C. Lanza, K. Voronin, A.I.F. Tresguerres- Mata, N. Capote-Robayna, J. Álvarez-Cuervo, A. Tarazaga Martín-Luengo, J. Martín-Sánchez, V.S. Volkov, A.Y. Nikitin, and P. Alonso-González. Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01582-5.

Instituciones
Departamento de Física. Universidad de Oviedo. España.
Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología. CINN (CSIC-Universidad de Oviedo). España.
Donostia International Physics Center (DIPC), Donostia-San Sebastián. España. 
Centre for Quantum Physics, Key Laboratory of Advanced Optoelectronic Quantum Architecture and Measurement (MOE), School of Physics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China.
Beijing Key Laboratory of Nanophotonics & Ultrafine Optoelectronic Systems, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China.