Los investigadores de la Escuela de Harvard de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS, por sus siglas en inglés) han inducido a los rayos de luz a comportarse de una forma que desafía las leyes de la reflexión y refracción mediante la explotación de una nueva técnica llamada ‘discontinuidad de fase’.
El descubrimiento, publicado esta semana en ‘Science’, ha dado lugar a una reformulación de las leyes matemáticas que predicen la trayectoria de un rayo de luz que rebota en una superficie o que viaja de un medio a otro, por ejemplo, del aire al vidrio.
«Usando superficies especialmente diseñadas, hemos logrado los efectos de distorsión de los espejos de una feria de atracciones en un espejo plano», ha explicado el coinvestigador principal Federico Capasso, profesor de física aplicada e ingeniería eléctrica en SEAS, que ha agregado que este descubrimiento «lleva a la óptica a un nuevo territorio y abre la puerta a desarrollos interesantes en la tecnología fotónica».
Se ha sabido desde la antigüedad que la luz viaja a velocidades diferentes a través de diferentes medios. La reflexión y la refracción se producen cuando la luz se encuentra con un material en ángulo. Como resultado, el frente de onda cambia de dirección. Las leyes convencionales predicen los ángulos de reflexión y refracción basándose sólo en el ángulo de incidencia y en las propiedades de los dos medios.
Mientras estudiaban el comportamiento de luz que incide sobre superficies modeladas con nanoestructuras metálicas, los investigadores constataron que las ecuaciones habituales no eran suficientes para describir los fenómenos extraños observados en el laboratorio.
Las nuevas leyes, demostradas experimentalmente en la Universidad de Harvard, tienen en cuenta el descubrimiento del grupo de Capasso sobre el límite entre dos medios que, bajo determinadas circunstancias, puede comportarse como un tercer medio. «Por lo general, una superficie, como la superficie de un estanque, no es más que una frontera geométrica entre dos medios, aire y agua», explica el autor principal, el doctor Nanfang Yu, «pero ahora, en este caso especial, la frontera se convierte en una interfaz activa que puede curvar la luz por sí misma».
El componente clave es un conjunto de antenas diminutas de oro, grabadas en la superficie del silicio utilizado en el laboratorio de Capasso. La matriz se estructura en una escala mucho más fina que la longitud de onda de la luz que llega a ella; esto significa que, a diferencia de un sistema óptico convencional, el límite entre el aire y el silicio crea un abrupto cambio de fase (llamado «discontinuidad») en las crestas de la onda de luz que lo cruzan.
Cada antena de la matriz puede atrapar la luz, conteniendo su energía durante una determinada cantidad de tiempo antes de soltarla. Un gradiente de diferentes tipos de resonadores a nanoescala a través de la superficie del silicio puede curvar la luz antes de que esta comience a propagarse a través del nuevo medio. El fenómeno resultante rompe las viejas reglas, creando haces de luz que se reflejan y refractan de forma arbitraria, dependiendo del patrón de superficie.
Con el fin de modificar las leyes de los libros de texto sobre la reflexión y la refracción, los investigadores de Harvard han añadido un nuevo término a las ecuaciones, que representa el gradiente de la fase de cambios producidos en el límite de dos medios. Es importante destacar que, en ausencia de un gradiente de la superficie, las nuevas leyes se reducen a las conocidas.
«Mediante la incorporación de un gradiente de discontinuidad de fase a través de la interfaz, las leyes de la reflexión y la refracción se encuentran ante toda una gama de nuevos fenómenos», ha indicado Zenón Gaburro, profesor visitante en el grupo de Capasso y coinvestigador principal de este estudio.
Gaburro ha detallado que «la luz reflejada puede rebotar hacia atrás en lugar de hacia adelante, incluso es posible crear refracción negativa: existe un nuevo ángulo de reflexión interna total». Además, la frecuencia (color), la amplitud (brillo), y la polarización de la luz también se pueden controlar, lo que significa que el ángulo de salida es, en esencia, un rayo de diseño.
