El anillo de Möbius, debido a su falta de simetría rotacional, provoca una distribución de carga superficial (o un momento dipolar neto) que varía según la orientación de la luz excitante polarizada. Esto significa que los picos resonantes de los modos dipolares se desplazan cuando se excita el sistema con diferentes orientaciones de polarización. En este contexto, para los modos inducidos por topología de medio entero, como el (1, 1.5), la longitud de onda resonante permanece constante a pesar de las variaciones en la distribución de carga a lo largo del anillo de Möbius. Esto se puede observar claramente en las simulaciones que ilustran cómo el anillo de Möbius genera un comportamiento distinto en comparación con otros sistemas no topológicos.

A diferencia del modo dipolar, que no se ve afectado por la topología, el modo de medio entero es directamente influenciado por la topología del anillo de Möbius. La constancia de este modo resonante sugiere que el momento dipolar neto se mantiene inalterado, independientemente de los cambios en la distribución de carga del modo de plasmon de medio entero en el anillo. Este efecto topológico puede corroborarse aún más al comparar un anillo cilíndrico con un anillo de Möbius. El anillo cilíndrico, compuesto por una nanobanda curvada pero no retorcida, posee la misma curvatura que el anillo de Möbius, pero carece de su estructura topológica única. En el caso de modos plasmonicos de orden superior, como el (1, 2), se observa una variación en la longitud de onda resonante cuando se excita el sistema con diferentes orientaciones de polarización, lo que indica que la constancia del pico resonante es atribuible a la topología del anillo de Möbius, y no a la curvatura de la nanobanda.

Adicionalmente, la intensidad del modo en el espectro de transmisión cambia al ser excitado con diferentes orientaciones de polarización debido a las variaciones en la sección transversal de extinción del anillo de Möbius cuando es excitado por luz polarizada en diversas orientaciones. Esto subraya una propiedad interesante del anillo: su sensibilidad óptica aumenta significativamente debido a los pequeños volúmenes de los modos plasmónicos de orden superior. El modo (1, 1.5), por ejemplo, muestra una sensibilidad notable de 1000 nm por unidad de índice de refracción (RIU), lo que demuestra un rendimiento excepcional en aplicaciones de detección basadas en modos brillantes. La figura de mérito (FOM), calculada para evaluar más a fondo las capacidades de detección del anillo de Möbius, alcanza un valor impresionante de 100 para el modo (1, 1.5). Este valor es notable para un resonador plasmonico, destacando el potencial de estos anillos para aplicaciones de alta precisión.

La capacidad de mejorar la calidad del factor Q de los sistemas plasmónicos también es posible mediante la introducción de medios ópticos activos. Esto podría reducir significativamente las pérdidas por absorción inherentes a las estructuras metálicas, lo que no solo mejora la capacidad de detección, sino que también abre posibilidades prometedoras en el campo de la óptica no lineal, como los nanoláseres plasmonicos.

En cuanto a los anillos de Möbius dieléctricos, el estudio de los estados de polarización óptica dentro de una tira de Möbius ideal, cuya grosor T es considerablemente menor que su ancho W, revela un comportamiento interesante. Cuando la luz polarizada linealmente resuena en la guía de ondas del anillo de Möbius, el campo eléctrico óptico se guía de manera eficiente y se confina en el plano de la tira torcida. A medida que la luz se propaga en el sistema, su orientación de polarización cambia continuamente a lo largo de la tira retorcida, dando lugar a lo que se denomina el modo "en el plano" (IP). Este comportamiento se presenta en un transporte paralelo adiabático de la luz polarizada linealmente en la tira curvada hasta alcanzar un ángulo de torsión de π, lo que se traduce en un fenómeno que involucra la fase de Berry.

La fase de Berry, que se manifiesta en sistemas físicos degenerados con evolución cíclica, puede ser cuantificada a través del ángulo sólido en el espacio de parámetros determinado por el vector de onda k o la polarización de la onda. En el caso del transporte paralelo de luz polarizada en el plano en un anillo de Möbius, la evolución continua de la orientación de polarización puede visualizarse como un bucle cerrado a lo largo del ecuador de la esfera de Poincaré. Este recorrido completo genera una fase de Berry de π, lo que indica una rotación del vector de polarización tras completar una vuelta completa alrededor del anillo de Möbius.

Al comparar un anillo de Möbius con un anillo curvado convencional, se observa que el primero genera una fase de Berry debido a su topología única, mientras que el segundo, aunque similar en curvatura, no presenta este fenómeno. Este efecto topológico es fundamental para entender cómo las resonancias ópticas se comportan dentro de estos microcavidades dieléctricas y cómo la geometría del anillo puede influir en la propagación de la luz.

En la simulación numérica 3D realizada mediante el método de elementos finitos, se ilustran los perfiles de los modos dentro de las típicas tiras de Möbius y tiras curvadas. A medida que la luz se propaga a lo largo del anillo de Möbius, la orientación del campo eléctrico resonante rota a lo largo de las tiras torcidas, lo que refuerza la importancia de la topología en la interacción de la luz con estos sistemas. El análisis de los perfiles de los modos y las condiciones de interferencia constructiva en los anillos de Möbius destaca su potencial para aplicaciones avanzadas en detección y óptica.

Este fenómeno demuestra cómo la interacción de la luz con sistemas topológicamente complejos como los anillos de Möbius puede ofrecer ventajas únicas en aplicaciones ópticas, desde la mejora de la sensibilidad en sensores hasta el desarrollo de dispositivos no lineales avanzados. Además, las investigaciones en este campo sugieren que la topología no solo puede afectar la distribución de carga y la polarización de la luz, sino que también puede generar nuevas formas de controlar y manipular ondas electromagnéticas de manera precisa.

¿Qué son los puntos cuánticos de semiconductores y cómo se caracterizan en el infrarrojo medio?

En este capítulo presentamos los resultados del crecimiento, caracterización e investigación de las propiedades electrofísicas y optoelectrónicas de puntos cuánticos (QDs) y anillos cuánticos (QRs) de composición graduada InAs1−x−ySbxPy, tanto cónicos como elipsoides, así como moléculas de puntos cuánticos (QDMs) en forma de QD-hojas, y cadenas cooperativas de QD-hojas. La nucleación se realizó sobre un sustrato de InAs (100) utilizando la composición cuaternaria InAsSbP en fase líquida, mediante el modo de crecimiento Stranski-Krastanow (S-K), a través de epitaxia en fase líquida de estado estacionario (SSLPE). En este texto se presentan y discuten el enfoque tecnológico, las características de crecimiento y las condiciones de la arquitectura de forma de los nanostructuras y su nanoingeniería.

El uso de la composición cuaternaria InAsSbP en fase líquida con una concentración determinada, y la formación resultante de una capa de humedecimiento de InAsSbP, permite no solo un control más flexible y preciso del desajuste de la red entre la capa de humedecimiento y el sustrato de InAs (100) como principal fuerza impulsora en el modo de crecimiento S-K, sino también abre nuevas posibilidades para la ingeniería y la nanoarquitectura de varios tipos de nanostructuras. El análisis detallado de las estructuras obtenidas se realiza mediante microscopía electrónica de alta resolución (HR-SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM).

Las propiedades optoelectrónicas de las nanostructuras crecidas en la región del infrarrojo medio se investigan experimentalmente mediante medidas de absorción y espectros de fotorespuesta. Las características electrofísicas se exploran mediante mediciones de corriente-tensión (I–V), capacitancia-tensión (C–V) y magnetoresistencia (MR). Además, se realizan investigaciones teóricas sobre las propiedades electrónicas de las nanostructuras con alineación de bandas tipo-II, utilizando un modelo de ocho bandas k·p que considera la tensión, los potenciales electrostáticos internos y la distribución del tamaño de las nanostructuras. Se calculan las energías del estado fundamental de los huecos y las densidades de carga para un amplio rango de composiciones de las nanostructuras, lo más cercano posible a los sistemas observados en los experimentos.

Dos tipos de fotodetectores basados en QDs en el infrarrojo medio (celdas fotoconductivas y heteroestructuras de diodos) se fabrican e investigan. Estos dispositivos podrían revolucionar áreas como la detección de radiación infrarroja, la tecnología de imágenes y las comunicaciones de alta velocidad, gracias a sus propiedades únicas.

A lo largo de los años, las investigaciones sobre la dimensionalidad reducida de los semiconductores han dado lugar a conceptos fundamentales como el de los "átomos artificiales", los puntos cuánticos (QDs). Estos nanocristales semiconductores, con diámetros de tamaño nanométrico, exhiben efectos de tamaño cuántico en sus propiedades ópticas y electrónicas, como una fotoluminiscencia (PL) ajustable y eficiente, con una emisión estrecha y estabilidad fototécnica, entre otras propiedades físicas únicas. Hoy en día, los QDs de tipo núcleo-cáscara se sintetizan comúnmente para muchos sistemas de materiales, y los QDs se han integrado como elementos activos en una amplia variedad de dispositivos y aplicaciones. Muchos de estos dispositivos están ahora disponibles comercialmente y se utilizan en la vida diaria, como en los televisores basados en QD.

Otra razón del creciente interés en las nanostructuras semiconductoras es la amplia gama de posibilidades para controlar las propiedades de los materiales semiconductores y los dispositivos. En los QDs, el confinamiento de los portadores de carga en las tres direcciones da lugar a efectos de cuantización de tamaño, lo que ofrece la posibilidad adicional de controlar las propiedades de los dispositivos basados en nanostructuras ajustando sus tamaños.

Es fundamental comprender que la ingeniería precisa de nanostructuras, como los QDs y QRs, es clave para obtener dispositivos con características óptimas para aplicaciones específicas, especialmente en el rango del infrarrojo medio, donde las aplicaciones en detección y comunicaciones son prometedoras. Estas nanostructuras ofrecen no solo la flexibilidad de diseño en términos de sus propiedades optoelectrónicas, sino también una oportunidad para explorar nuevas fronteras en el desarrollo de materiales semiconductores. Además, la capacidad para modificar la composición y la estructura de las nanostructuras abre nuevas vías para la creación de dispositivos con propiedades ajustables según las necesidades del mercado.

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