Revelan cómo el desorden modifica los estados de la luz en chips fotónicos, clave para nuevos dispositivos más robustos y sostenibles

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El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), lidera una investigación internacional que ha permitido caracterizar cómo el desorden estructural modifica la distribución de los estados de la luz en cristales fotónicos. El trabajo, publicado en Physical Review Research, cuestiona las interpretaciones previas dadas a estos fenómenos. 

Los chips fotónicos, que utilizan luz en lugar de electrones para transmitir y procesar información, se consideran una de las vías más prometedoras para superar algunas limitaciones de la electrónica actual, especialmente las relacionadas con la velocidad de operación y la disipación de calor. “Con la información necesitamos dos mecanismos: procesarla y transmitirla. La luz es muy útil para transmitir datos, como ya ocurre con la fibra óptica, pero todavía estamos desarrollando formas eficientes de utilizarla también para procesarlos”, señala Pedro David García, investigador del CSIC en el ICMM, autor principal del estudio y líder del proyecto europeo NEUROPIC, en cuyo marco se desarrolla este trabajo.

García explica que la luz es muy sensible a las imperfecciones de las estructuras fotónicas por las que se propaga, como ocurre en los chips fotónicos reales. Estas imperfecciones, o desorden estructural, pueden generar estados ópticos localizados cerca del borde de la banda fotónica, algo así como el límite hasta el cual la luz puede propagarse. La distribución de esos estados está relacionada con la llamada densidad de estados fotónicos, una magnitud fundamental para entender las propiedades ópticas del sistema y diseñar dispositivos más controlados.

Hasta ahora, estos estados se habían interpretado habitualmente como ‘colas de Lifshitz’, en referencia a los trabajos del físico Ilya Lifshitz (1917-1982) sobre sistemas electrónicos desordenados a comienzos de los años sesenta. Esa teoría describe estados “raros” que aparecen profundamente dentro de una brecha de energía. Sin embargo, el nuevo trabajo muestra que, en el régimen al que han podido acceder experimentalmente, los datos siguen otro comportamiento: el de una cola de Urbach, una ley identificada originalmente en los años cincuenta en el estudio de la absorción óptica de sólidos. 

Para verificar sus resultados, el equipo, con Marcos Menéndez, investigador del ICMM-CSIC, como primer autor del estudio, y en colaboración con la Universidad de Delaware (EE. UU.), combinó medidas ópticas en guías de onda de cristal fotónico fabricadas en arseniuro de galio (GaAs) con simulaciones electromagnéticas completas. “La concordancia cuantitativa entre los experimentos y las simulaciones nos permite confirmar que la distribución observada responde a una ley de Urbach y que, además, la energía de Urbach contiene información muy relevante sobre el tipo de desorden”, continúa García. "En concreto, la energía de Urbach revela cuánto desorden hay en la estructura y en qué dirección, lo que la convierte en una herramienta práctica para caracterizar la fabricación."

Unos resultados más allá de la física fundamental

Las implicaciones de este trabajo van más allá de la física fundamental. Comprender cómo el desorden afecta al transporte de la luz en medios fotónicos es importante para el desarrollo de circuitos fotónicos integrados y futuros sistemas de procesamiento óptico de información. En este tipo de tecnologías, la velocidad, la eficiencia energética y el control preciso de la propagación de la luz son factores clave. “La luz permite transmitir información de forma extremadamente eficiente, mucho más que los sistemas electrónicos convencionales. El reto es aprender a controlar la luz dentro de estos dispositivos para que no solo transmita información, sino que también pueda ayudar a procesarla”, puntualiza el investigador.

Para García, estos resultados también muestran cómo la ciencia avanza revisando interpretaciones aceptadas. “Este fenómeno se ha descrito durante años como cola de Lifshitz; yo mismo lo hice en trabajos anteriores. Pero al comparar esa interpretación con los datos vimos que no encajaba con lo que estábamos observando”, cuenta el investigador. “Cuando una explicación lleva asociada un nombre tan importante como Lifshitz, es fácil asumir que es la interpretación correcta. Pero los datos nos obligaron a revisar si esa teoría se estaba aplicando al régimen adecuado”.

“Fue al analizar el problema con más detalle cuando vimos que la ley de Urbach, descrita hace décadas en otros sistemas, explicaba mucho mejor nuestros resultados”, añade García. Para el investigador, esta corrección conceptual forma parte natural del proceso científico. “Los científicos no somos infalibles. A veces también nos dejamos llevar por la inercia o por interpretaciones heredadas. Pero en ciencia, al final, siempre mandan los datos: si contradicen una explicación aceptada, hay que revisar la explicación”.

Gracias a este trabajo, el equipo no solo ha podido caracterizar con mayor precisión la distribución de estados ópticos inducidos por desorden, sino también entender mejor cómo se comporta la luz en estructuras fotónicas reales. Este conocimiento es un paso relevante hacia el diseño más controlado de dispositivos fotónicos y muestra que el desorden, cuando se comprende, no tiene por qué ser solo una limitación: también puede convertirse en una herramienta para generar nuevas funcionalidades ópticas. 

Referencia: 

M. Menéndez, Lan Hoang Mai, Nazifa Tasnim Arony, Henry Carfagno, Lauren N McCabe, Joshua M. O. Zide, Cefe López, Matthew F. Doty, and P. D. García*. Anisotropy of the Photonic Urbach Tail. Physical Review Research, DOI: https://doi.org/10.1103/757x-877m