La generación de armónicos de orden superior (HHG) es un fenómeno cuántico que permite transformar luz en frecuencias mucho más altas que las originales. Se trata de un proceso fundamental para acceder a regiones del espectro electromagnético que suelen estar fuera de nuestro alcance tecnológico habitual. Uno de los mayores desafíos ha sido precisamente generar luz en el rango de los terahercios (THz) mediante HHG, ya que la mayoría de los materiales tradicionales presentan una simetría demasiado perfecta como para facilitar esta conversión.
En este contexto, materiales como el grafeno han sido considerados prometedores, pero su simetría les permite generar solo armónicos impares, lo que limita sus aplicaciones. Los armónicos pares, necesarios para ampliar el abanico de usos prácticos de esta tecnología, han sido difíciles de conseguir. Esa limitación ha actuado como una muralla invisible que separa la teoría de la aplicación real.
Topología cuántica: una herramienta inesperada
Un equipo liderado por la profesora Miriam Serena Vitiello ha logrado superar este obstáculo gracias al uso de materiales cuánticos topológicos, que aportan una nueva perspectiva para manipular la luz. Estos materiales, conocidos como aislantes topológicos (TI), tienen un comportamiento curioso: actúan como aislantes en su interior, pero permiten el paso de corriente eléctrica por su superficie. Esta doble personalidad, resultado de una compleja interacción entre los electrones y su entorno cuántico, los convierte en candidatos ideales para explorar comportamientos no convencionales de la luz.
La clave de su singularidad está en su acoplamiento espín-órbita y en una propiedad conocida como simetría de reversión temporal, que les permite conservar ciertos estados cuánticos aun cuando cambian las condiciones externas. Durante años, se había predicho que estos materiales podían facilitar formas avanzadas de generación armónica, pero hasta ahora, esto no había sido demostrado experimentalmente.
Nanorresonadores: potenciadores de luz en miniatura
El equipo de investigación diseñó estructuras llamadas resonadores de anillo partido (split ring resonators), que funcionan como pequeños amplificadores de luz cuando se combinan con capas delgadas de materiales como Bi2Se3 y heteroestructuras de van der Waals con compuestos como (InₓBi₁₋ₓ)2Se3. Estas estructuras actúan como trampolines energéticos que impulsan la luz incidente hasta frecuencias mucho más altas.
Gracias a este diseño, lograron observar armónicos pares e impares en el rango de los terahercios, algo nunca antes conseguido. Las mediciones revelaron frecuencias convertidas de 6,4 THz (par) y 9,7 THz (impar), lo que evidencia que tanto el interior simétrico como la superficie asimétrica de los materiales topológicos participan activamente en la generación de luz. Este hallazgo representa una de las primeras pruebas experimentales de que los efectos topológicos pueden influir directamente en el comportamiento armónico de la luz a estas frecuencias.
Aplicaciones futuras que ya se vislumbran
Este avance abre la posibilidad de desarrollar fuentes de luz terahérz compactas y sintonizables, que podrían revolucionar componentes optoelectrónicos ultrarrápidos. En lugar de depender de sistemas grandes y costosos, podríamos contar con dispositivos portátiles capaces de generar luz THz de forma eficiente, algo que beneficiaría campos tan diversos como la comunicación inalámbrica de alta velocidad, la imagen médica avanzada o la computación cuántica.
Este descubrimiento también allana el camino para estudiar cómo la simetría y los estados cuánticos interactúan con la luz a nivel nanoscópico. Al igual que una orquesta afinada puede tocar notas que una sola guitarra no puede alcanzar, estos materiales cuánticos permiten que la luz «toque» frecuencias antes inaccesibles.
Un nuevo lenguaje para la electrónica del futuro
Las implicaciones van más allá de la investigación básica. A medida que la industria exige dispositivos más pequeños, rápidos y eficientes, el uso de materiales topológicos combinados con estructuras nanométricas podría representar un cambio radical en la forma en que entendemos y fabricamos tecnología. Las telecomunicaciones, los sensores ambientales, e incluso el desarrollo de nuevos métodos para el tratamiento de enfermedades podrían beneficiarse de estas fuentes THz compactas y ajustables.
El estudio, publicado en Light: Science & Applications y firmado por investigadores de varios centros europeos y asiáticos, no solo valida predicciones teóricas que llevaban años circulando en el campo de la física cuántica, sino que también señala con claridad una nueva ruta para las tecnologías del futuro.
☞ El artículo completo original de Natalia Polo lo puedes ver aquí