Una investigación internacional liderada por el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha caracterizado cómo el desorden estructural altera la distribución de los estados de la luz en cristales fotónicos, un aspecto clave para el diseño de chips fotónicos más controlados, robustos y eficientes.
El trabajo, publicado en Physical Review Research, cuestiona la interpretación habitual de estos fenómenos y apunta a una ley distinta para describir los datos observados experimentalmente. La investigación se desarrolla en el marco del proyecto europeo NEUROPIC, liderado por Pedro David García, investigador del CSIC en el ICMM y autor principal del estudio.
Desorden estructural en chips fotónicos
Los chips fotónicos emplean luz en lugar de electrones para transmitir y procesar información. Esta aproximación se considera una vía relevante para superar limitaciones de la electrónica actual, en particular las asociadas a la velocidad de operación y a la disipación de calor. Según explica García, la luz ya se utiliza de forma muy eficiente para transmitir datos, como ocurre en la fibra óptica, pero aún se investigan formas eficaces de emplearla también en el procesamiento de información.
En los dispositivos reales, la luz es especialmente sensible a las imperfecciones de las estructuras fotónicas por las que se desplaza. Ese desorden estructural puede generar estados ópticos localizados cerca del borde de la banda fotónica, entendido como el límite hasta el que la luz puede propagarse. La distribución de esos estados está vinculada a la densidad de estados fotónicos, una magnitud fundamental para comprender las propiedades ópticas del sistema.
Hasta ahora, estos estados se habían asociado de forma habitual a las colas de Lifshitz, en referencia a los trabajos del físico Ilya Lifshitz, desarrollados a comienzos de los años sesenta en sistemas electrónicos desordenados. Esa teoría describe estados poco frecuentes que aparecen profundamente dentro de una brecha de energía. Sin embargo, el nuevo estudio muestra que, en el régimen accesible experimentalmente, los resultados encajan mejor con una cola de Urbach, una ley identificada en los años cincuenta en investigaciones sobre absorción óptica en sólidos.
Medidas ópticas y simulaciones electromagnéticas
Para comprobar esta interpretación, el equipo combinó medidas ópticas en guías de onda de cristal fotónico fabricadas en arseniuro de galio (GaAs) con simulaciones electromagnéticas completas. El trabajo cuenta con Marcos Menéndez, investigador del ICMM-CSIC, como primer autor, y se ha realizado en colaboración con la Universidad de Delaware, en Estados Unidos.
La comparación cuantitativa entre experimentos y simulaciones permitió confirmar que la distribución observada responde a una ley de Urbach. De acuerdo con García, la energía de Urbach aporta información relevante sobre el tipo de desorden presente en la estructura, incluida su magnitud y dirección, lo que puede convertirla en una herramienta práctica para caracterizar procesos de fabricación.
Las implicaciones del estudio se extienden al desarrollo de circuitos fotónicos integrados y a futuros sistemas de procesamiento óptico de información. En estas tecnologías, el control preciso de la propagación de la luz, junto con la velocidad y la eficiencia energética, resulta determinante para avanzar hacia dispositivos capaces no solo de transmitir información, sino también de contribuir a su procesamiento.
Revisión de la interpretación física
El estudio también revisa una interpretación aceptada durante años en este ámbito. García señala que el fenómeno se había descrito previamente como cola de Lifshitz, incluso en trabajos anteriores del propio investigador, pero que la comparación con los datos experimentales mostró que esa explicación no se ajustaba al régimen observado.
El análisis detallado llevó al equipo a identificar que la ley de Urbach describía de forma más precisa los resultados. Con ello, la investigación permite caracterizar mejor la distribución de estados ópticos inducidos por desorden y mejorar la comprensión del comportamiento de la luz en estructuras fotónicas reales.