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Este nuevo modelo ayuda a establecer las bases para comprender cómo funciona la respuesta óptica de las nanopartículas metálicas con ganancia y así poder explorar fenómenos físicos poco convencionales como la simetría paridad-tiempo o la no reciprocidad.

Nanoestructuras metálicas

El campo de la nanofotónica ha sido revolucionado por el descubrimiento de nanoestructuras metálicas que pueden soportar plasmones superficiales localizados. Estas nanoestructuras se han convertido en plataformas excepcionales para controlar la luz en la nanoescala debido a su capacidad para acoplarse fuertemente a la luz y confinarla en volúmenes de sublongitud de onda. Lo cual ha dado lugar a un gran número de aplicaciones tales como la fotocatálisis, la captura de energía solar, el desarrollo de sensores ópticos ultrasensibles o de terapias contra el cáncer.

Sin embargo, estas estructuras tienen altos niveles de pérdidas que suponen una limitación para ciertas aplicaciones. Para mitigar estas pérdidas, los investigadores están combinado nanoestructuras metálicas con elementos que les confieren ganancia óptica, como nanocristales semiconductores, moléculas de colorante o iones de tierras raras. Esto no solo reduce las pérdidas y mejora la respuesta óptica de las nanoestructuras, sino que también ha abierto la puerta al desarrollo de dispositivos nanofotónicos activos, fuentes de luz a nanoescala y nanoláseres plasmónicos.

Más recientemente, los investigadores han combinado estas nuevas nanoestructuras metálicas con ganancia con nanoestructuras metálicas convencionales para construir sistemas con simetría de paridad-tiempo. Estos sistemas muestran propiedades extraordinarias, como emisión y dispersión diferente en diferentes direcciones, y tienen potencial para una gama aún más amplia de aplicaciones. Sin embargo, para entender el comportamiento de estos sistemas, los investigadores suelen utilizar modelos teóricos simplificados que no tienen en cuenta la no linealidad asociada con la saturación de la ganancia, que es importante para comprender la respuesta de estos sistemas y explotarlos para nuevas aplicaciones.

El modelo desarrollado en este trabajo se basa en la combinación de las ecuaciones láser semiclásicas usadas convencionalmente para modelar láseres y la solución electrostática del campo electromagnético de una nanoesfera.

Estos resultados arrojan luz sobre los límites del incremento de la respuesta que se puede lograr mediante la presencia de ganancia en nanoestructuras metálicas y allanan el camino para el desarrollo de nuevas aplicaciones, como la detección óptica mejorada y las respuestas ópticas no recíprocas.