Revolución fotónica: una onda con forma de narval miniaturiza la luz

Electrónica

Equipo editorial del sitio web de Innovación Tecnológica - 06/11/2025

El secreto para miniaturizar las computadoras ópticas reside en una función de onda con forma de narval, que permite el confinamiento espacial en un modo electromagnético adecuado y determina directamente la intensidad de las interacciones luz-materia. [Imagen: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Computación basada en la luz

La computación fotónica , con sus procesadores que utilizan fotones en lugar de electrones , ya ha demostrado ampliamente sus ventajas en términos de velocidad y eficiencia energética en comparación con las computadoras electrónicas.

Sin embargo, aún quedan retos por superar antes de poder comprar un teléfono móvil o un ordenador portátil fotónico: los componentes ópticos no pueden competir con la electrónica de semiconductores en lo que respecta a la miniaturización .

La razón es fundamental: el principio de incertidumbre de Heisenberg vincula el confinamiento espacial de la luz con su longitud de onda, que en el espectro visible y el infrarrojo cercano puede ser hasta mil veces mayor que la longitud de onda de los electrones. Esta incompatibilidad ha hecho que los chips fotónicos sean voluminosos.

La plasmónica ofrece una forma de sortear esta barrera, utilizando metales para comprimir la luz en volúmenes inferiores a su longitud de onda. Sin embargo, los metales disipan energía en forma de calor, lo que genera la necesidad de una compensación que dificulta el progreso hacia la integración eficiente a gran escala de computadoras ópticas.

Características de la ola del narval y su modo de generación. [Imagen: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Ola con forma de narval

Las esperanzas de un impulso definitivo a la miniaturización de la computación basada en la luz comenzaron a surgir el año pasado cuando un equipo de la Universidad de Pekín en China desarrolló una ecuación de dispersión singular, un nuevo marco teórico que muestra cómo se puede confinar la luz a escalas extremas en materiales dieléctricos (aislantes o no conductores) sin pérdidas.

Al basarse exclusivamente en materiales dieléctricos, este enfoque evita las pérdidas óhmicas, abriendo el camino a una nueva generación de dispositivos fotónicos compactos y energéticamente eficientes.

Ahora, el mismo equipo ha profundizado en la comprensión del fenómeno, descubriendo que el extraordinario confinamiento que posibilita la ecuación de dispersión singular surge de una nueva clase de modos propios electromagnéticos: funciones de onda especiales con un perfil en forma de narval. La onda adopta un perfil que recuerda al narval, o unicornio marino, una ballena dentada con un colmillo largo, recto y helicoidal que parece un cuerno, pero que en realidad es un canino superior izquierdo alargado.

Estos modos de onda combinan el fortalecimiento local mediante ley de potencia con la decadencia exponencial global, lo que permite que los campos electromagnéticos se concentren y compriman mucho más allá de los límites convencionales dictados por la longitud de onda.

Con este entendimiento, el equipo se encontró entonces en posesión de todas las herramientas necesarias para demostrar el efecto en la práctica.

La onda con forma de narval se produce mediante nanoláseres dieléctricos que utilizan nanoantenas con dimensiones a escala atómica. [Imagen: Yun-Hao Ouyang et al. - 10.1038/s41586-024-07674-9]

Miniaturización de la fotónica

Luego, Wen-Zhi Mao y sus colegas diseñaron, construyeron y demostraron experimentalmente el funcionamiento de un resonador dieléctrico tridimensional capaz de confinar ondas por subdifracción en las tres dimensiones espaciales.

Mediante mediciones de escaneo de campo cercano, observaron directamente las funciones de onda con forma de narval, capturando claramente su crecimiento cerca de la singularidad, siguiendo la ley de potencia, y su decaimiento exponencial a intervalos mayores. El volumen alcanzado es minúsculo; tan solo 5 × ^{10⁻⁷ λ³} , donde λ representa la longitud de onda de la luz.

El experimento demuestra que la ecuación de dispersión singular da lugar a funciones de onda con forma de narval, modos exóticos que capturan la luz a escalas extremas en dieléctricos sin pérdidas, inaugurando lo que el equipo llama "singulónica", un nuevo paradigma nanofotónico que permite el confinamiento de la luz en dimensiones mucho más pequeñas que la longitud de onda, así como el control de esta luz sin pérdidas por disipación.

Este avance promete impulsar definitivamente el procesamiento de información ultraeficiente, abriendo nuevas vías en óptica cuántica y microscopía , y ampliando el alcance de la imagen de superresolución. En este último caso, el equipo ya ha utilizado su experimento para demostrar una nueva técnica de microscopía óptica de barrido de campo cercano, a la que denominaron microscopio óptico singular, que exhibe una resolución espacial sin precedentes de λ/1000.

Otras noticias sobre:

Más temas