Observación del desplazamiento Goos–Hänchen bajo incidencia normal en nanorrejillas inclinadas de TiO2

Luz que se desliza lateralmente

Cuando un haz de linterna incide sobre un espejo o una ventana, esperamos que rebote hacia atrás o que pase directamente. Pero a escalas muy pequeñas, la luz puede comportarse de formas más sutiles: un haz reflejado o transmitido puede deslizarse lateralmente varias longitudes de onda antes de emerger. Este estudio muestra cómo hacer que ese deslizamiento lateral ocurra de manera dramática, incluso cuando la luz incide perpendicularmente, usando filas cuidadosamente esculpidas de dióxido de titanio a escala nanométrica. Ese control sobre desplazamientos de haz diminutos podría ser útil para construir conmutadores ópticos compactos y sensores en futuros chips.

Por qué la luz puede fallar en el punto esperado

El desplazamiento lateral de un haz de luz en una superficie se llama desplazamiento Goos–Hänchen, en honor a los científicos que lo midieron por primera vez. En materiales cotidianos, este desplazamiento es minúsculo—del orden de una longitud de onda de la luz—por lo que es difícil de detectar y no muy práctico. Trabajos anteriores mostraron que las “metasuperficies” especiales, patrones diseñados más pequeños que la longitud de onda, pueden amplificar este efecto forzando que la luz resuene fuertemente al reflejarse o transmitirse. Sin embargo, casi todas las demostraciones previas requerían que la luz llegara inclinada, no de frente, porque un haz inclinado rompe naturalmente la simetría especular de la superficie y permite que aparezca el desplazamiento.

Inclinar la estructura, no el haz

Los autores de este artículo dieron la vuelta al problema: en lugar de inclinar el haz entrante, inclinaron la propia estructura. Diseñaron una rejilla unidimensional hecha de dióxido de titanio, un material transparente de índice alto ampliamente usado en óptica. La rejilla consiste en crestas paralelas con un periodo ligeramente menor que la longitud de onda de la luz roja. Cuando las crestas son perfectamente verticales, el patrón es espejo-simétrico y puede atrapar ciertas ondas de luz en modos “ligados” especiales que no irradian. Al introducir una pequeña inclinación en las crestas, rompen suavemente esa simetría. Los modos atrapados entonces filtran lo justo para interactuar fuertemente con la luz que pasa, produciendo una resonancia extremadamente aguda donde la transmisión alcanza casi el 100 por ciento mientras la fase de la luz cambia muy bruscamente con la dirección.

De flujos de energía ocultos a desplazamientos gigantes

Mediante simulaciones informáticas detalladas, el equipo mostró que esta ruptura de simetría crea fuertes flujos de energía laterales dentro de la rejilla, incluso cuando el haz entrante apunta directamente. A longitudes de onda próximas a una resonancia alrededor de 780 nanómetros, el flujo lateral de energía se vuelve dominante y el desplazamiento Goos–Hänchen calculado puede alcanzar centenas de longitudes de onda—mucho mayor que en interfases ordinarias. Simulando un haz de luz realista con anchura finita, encontraron que el haz transmitido podía dividirse o invertir la dirección de su desplazamiento ante variaciones de fracciones de nanómetro en la longitud de onda, una firma directa de la aguda resonancia subyacente creada por las nanorrejillas inclinadas.

Esculpir rampas nanoscópicas

Para convertir el diseño en realidad, los investigadores desarrollaron un proceso de fabricación preciso basado en grabado por haces iónicos reactivos. Partiendo de una oblea de cuarzo plana recubierta con una capa delgada de dióxido de titanio y una máscara metálica, utilizaron litografía por haz de electrones para definir el patrón de la rejilla y luego grabaron las crestas mientras la muestra se mantenía en un ángulo controlado. Al equilibrar cuidadosamente el grabado químico y físico, lograron paredes laterales inclinadas, suaves y uniformes sin recurrir a moldes personalizados para cada ángulo. Mediciones en muchos puntos de la muestra mostraron que el periodo, el ancho, la altura y el ángulo de inclinación coincidían con el diseño dentro de aproximadamente un uno por ciento, lo que indica nanostructuras altamente reproducibles en áreas grandes.

Ver el haz deslizarse

Para observar experimentalmente el desplazamiento lateral, el equipo confirmó primero, mediante mediciones de reflexión resueltas en ángulo, que las rejillas inclinadas soportan las resonancias agudas predichas que aparecen solo cuando las crestas están inclinadas. Luego montaron un sistema óptico en el que matrices de pequeños orificios producían haces estrechos, casi paralelos, que atravesaban ya sea una película lisa de dióxido de titanio o la rejilla inclinada y patrónada. A longitudes de onda fuera de resonancia, los puntos de salida de ambas muestras coincidían. Pero cuando un filtro de banda aisló la luz cercana a 780 nanómetros, el punto emergente de la rejilla inclinada se desplazó lateralmente unos cinco micrómetros respecto a la película de referencia—evidencia clara de un desplazamiento Goos–Hänchen bajo incidencia normal. El desplazamiento medido fue menor que el previsto por las simulaciones idealizadas, probablemente porque la fuente de luz tenía un ancho espectral finito y las estructuras reales se desviaban ligeramente de la geometría perfecta.

Nuevas formas de dirigir la luz en un chip

En términos simples, este trabajo muestra que se puede dirigir lateralmente un haz de luz sin inclinar el propio haz—solo esculpiendo la superficie por la que pasa en pequeñas crestas inclinadas. Los autores demuestran tanto los principios de diseño como una vía práctica de fabricación para tales estructuras, y miden directamente el desplazamiento de haz resultante. Este tipo de control abre posibilidades para construir elementos ópticos planos y sin necesidad de alineación que desvíen haces por cantidades controladas, posibilitando dispositivos compactos de direccionamiento de haz, sensores en chip y circuitos nanofotónicos más versátiles.

Cita: Ji, X., Wang, B., Pan, R. et al. Observation of Goos-Hänchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO₂ Nanogratings. npj Nanophoton. 3, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00108-6

Palabras clave: desplazamiento Goos-Hänchen, nanorrejillas inclinadas, metasuperficies, dirección de haz, nanofotónica