Niek van Hulst, profesor del Instituto de Ciencias Fotónicas, en Barcelona, España, lideró el desarrollo de la nano-antena. Afirma que podría ser útil para la computación cuántica y la criptografía cuántica, ya que puede transmitir la luz en una sola dirección. En la actualidad, los componentes utilizados para emitir y detectar fotones para estos fines lo hacen en todas las direcciones. "Es muy difícil controlar la dirección de los fotones", asegura.
Van Hulst y sus colegas tomaron la inspiración para el nuevo dispositivo de un tipo de antena de radio conocida como antena Yagi-Uda. "Utilizamos exactamente la misma que se usa para la detección de señales de televisión", afirma. La longitud de una antena Yagi-Uda tiene que ser aproximadamente la misma que la longitud de onda de la radiación electromagnética para la que está sintonizada. Para la luz, esto se encuentra en el rango nanométrico.
Una antena Yagi-Uda tiene cinco barras paralelas, denominadas elementos. Sólo uno de estos elementos—el segundo más largo, o el elemento de alimentación—se conecta a un circuito. El resto son pasivos, e interfieren de manera constructiva y destructiva con la señal para hacerla direccional.
Van Hulst y sus colegas usaron litografía de haz de electrones para crear los elementos, depositando tiras muy pequeñas de oro sobre un sustrato de vidrio, cada una con una longitud y separación específica. Al hacer que la antena resuene a una frecuencia muy alta—en el rango de los terahercios—se consigue emitir luz a longitudes de onda de alrededor de 800 nanómetros (luz infrarroja).
Para probar el dispositivo, el equipo la usó como transmisor en lugar de receptor. La señal fue alimentada a la antena en forma de señal luminosa, lo que provocó que los electrones en el elemento de alimentación resonasen.
Un desafío importante consistió en encontrar una forma de estimular sólo el elemento de alimentación. Dado que estos elementos de oro son más pequeños que la longitud de onda de la luz, no es posible enfocar la luz de manera suficientemente precisa para lograrlo. La solución consistió en salpimentar uno de los extremos del elemento de alimentación con puntos cuánticos—trozos nanoscópicos de un material semiconductor (en este caso, un semiconductor basado en seleniuro de cadmio coloidal). El tamaño de los puntos cuánticos determina la longitud de onda de luz que emiten cuando son ópticamente estimulados. Cuando toda la estructura se ilumina con luz infrarroja, los puntos cuánticos son estimulados, mientras que el elemento no se ve afectado. "Los puntos cuánticos pierden toda su energía frente al elemento", afirma Van Hulst, causando que los electrones en el oro resuenen a una frecuencia similar y emitan infrarrojos. Entonces es cuando entra en juego el resto de la estructura Yagi-Uda. Los elementos restantes de oro interfieren con la luz emitida, cancelándola en todas las direcciones menos en una. El trabajo fue publicado la semana pasada en la revista Science.
"Es la mejor antena óptica que he visto", afirma Markus Lippitz, en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, en Stuttgart, Alemania. No sólo tiene la estructura de antena óptica más compleja hasta el momento, asegura Lippitza, sino que también es la primera que se utiliza para enviar fotones.
Hay otras maneras de redirigir la luz procedente de dispositivos de un solo fotón, señala Harald Giessen, profesor de la Universidad de Stuttgart. Una forma consiste en poner los puntos cuánticos en cavidades de modo que la luz pueda escapar sólo en una dirección. Sin embargo el uso de nano-antenas debería ser más eficiente puesto que garantizan la detección de más fotones.
Lippitz asegura que se darán nuevas mejoras en la investigación del diseño de antenas ópticas. "Actualmente la gente sólo se dedica a copiar los esquemas de radiofrecuencia", afirma. "El siguiente paso sería optimizarlos más para la fotónica".