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  • Se creó una fuente de luz no lineal a nanoescala

    Este esquema muestra dos electrodos de oro separados por un nanolit lleno de un material no lineal. La rejilla a nanoescala a cada lado de la rendija dirige las ondas plasmónicas hacia la rendija intensificando el campo de luz en 80 veces. Se aplica un pequeño voltaje a los electrodos produciendo un campo eléctrico masivo a través de la rendija estrecha produciendo una fuente de luz EFISH. Crédito:Mark Brongersma

    No mucho después del desarrollo del primer láser en 1960, los científicos descubrieron que hacer brillar un rayo a través de ciertos cristales producía luz de un color diferente; más específicamente, producía luz exactamente el doble de la frecuencia del original. El fenómeno se denominó segunda generación armónica.

    Los punteros láser verdes que se utilizan hoy en día para ilustrar presentaciones se basan en esta ciencia:pero producir un rayo esmeralda tan hermoso no es tarea fácil. La luz verde comienza como un rayo infrarrojo que primero debe procesarse a través de un cristal, varias lentes y otros elementos ópticos antes de que pueda iluminar ese PowerPoint en la pantalla que tienes delante.

    Más tarde se descubrió que la aplicación de un campo eléctrico a algunos cristales producía un efecto similar, aunque más débil, Rayo de luz. Este segundo descubrimiento, conocido como EFISH, para la generación de luz de segundo armónico inducido por campo eléctrico, ha representado principalmente un conocimiento científico interesante y poco más. Los dispositivos EFISH son grandes, exigentes láseres de alta potencia, cristales grandes y miles de voltios de electricidad para producir el efecto. Como resultado, no son prácticos para todas las aplicaciones excepto para unas pocas.

    En un artículo publicado hoy en Ciencias , Los ingenieros de Stanford han demostrado un nuevo dispositivo que reduce los dispositivos EFISH en órdenes de magnitud a nanoescala. El resultado es una fuente de luz ultracompacta con funciones ópticas y eléctricas. Las implicaciones de la investigación para el dispositivo van desde una mejor comprensión de la ciencia fundamental hasta una mejor comunicación de datos.

    Electrones cargados por resorte

    El dispositivo se basa en las fuerzas físicas que unen a los electrones en órbita alrededor de un núcleo.

    "Es como un manantial, "dijo Mark Brongersma, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford.

    En la mayoría de los casos, cuando haces brillar una luz sobre un átomo, la energía agregada alejará el electrón del núcleo cargado positivamente de manera muy predecible, de forma lineal, de modo que cuando se apaga la luz y el electrón vuelve a su órbita original, la energía liberada es la misma que la luz que la desplazó.

    Este esquema demuestra cómo las funciones eléctricas y ópticas duales del dispositivo EFISH podrían usarse para comunicar datos en un entorno basado en chips. Crédito:Mark Brongersma

    La frase clave aquí es:"en la mayoría de los casos". Cuando la fuente de luz es un láser de alta intensidad que brilla sobre un sólido, Los investigadores descubrieron que cuanto más se alejan los electrones de los núcleos, menos linealmente interactúa la luz con los átomos.

    "En otras palabras, la interacción luz-materia se vuelve no lineal, "dijo Alok Vasudev, estudiante de posgrado y coautor del artículo. "La luz que se emite es diferente de la luz que se introduce. Alumbra un potente láser de infrarrojo cercano sobre el cristal y la luz verde surge exactamente el doble de la frecuencia".

    Posibilidades de ingeniería

    "Ahora, Alok y yo hemos tomado este conocimiento y lo hemos reducido a la nanoescala, "dijo el primer autor del artículo, Wenshan Cai, investigador postdoctoral en el laboratorio de Brongersma. "Por primera vez tenemos un dispositivo óptico no lineal a nanoescala que tiene funcionalidad óptica y eléctrica. Y esto ofrece algunas posibilidades de ingeniería interesantes".

    Para muchas aplicaciones fotónicas, incluido el procesamiento de señales e información, es deseable manipular eléctricamente la generación de luz no lineal. El nuevo dispositivo se asemeja a una pajarita a nanoescala con dos mitades de pan de oro simétrico acercándose, pero no del todo conmovedor, en el centro. Esta delgada hendidura entre las dos mitades se rellena con un material no lineal. La estrechez es crítica. Tiene solo 100 nanómetros de diámetro.

    "EFISH requiere un campo eléctrico enorme. De la física básica sabemos que la fuerza de un campo eléctrico escala linealmente con el voltaje aplicado e inversamente con la distancia entre los electrodos - una distancia más pequeña, campo más fuerte y viceversa, "dijo Brongersma." Entonces, si tiene dos electrodos colocados muy juntos, como lo hacemos en nuestro experimento, no se necesitan muchos voltios para producir un campo eléctrico gigante. De hecho, solo se necesita un voltio ".

    "Es esta ciencia fundamental la que nos permite reducir el dispositivo en órdenes de magnitud desde la escala humana a la nanoescala, "dijo Cai.

    Ingrese plasmónicos

    El área de especialización de Brongersma, plasmónicos, luego entra en escena. La plasmónica es el estudio de un curioso fenómeno físico que ocurre cuando la luz y el metal interactúan. Cuando los fotones chocan contra el metal, producen ondas de energía que recorren la superficie del metal, como las ondas cuando se deja caer un guijarro en un estanque.

    Los ingenieros han aprendido a controlar la dirección de las ondas modelando la superficie del metal de tal manera que casi todas las ondas de energía se canalizan hacia adentro, hacia la hendidura entre los dos electrodos metálicos.

    La luz se vierte en la grieta como sobre el borde de una cascada y allí se intensifica, produciendo luz unas 80 veces más fuerte que los ya intensos niveles láser de los que procede. Luego, los investigadores aplican un voltaje modesto al metal, lo que resulta en el tremendo campo eléctrico necesario para producir un haz EFISH.

    Aplicaciones prácticas

    "Este tipo de dispositivo puede que algún día encuentre aplicación en la industria de las comunicaciones, ", dice Brongersma." La mayor parte de la información y la interacción con las redes sociales que enviamos a través de nuestros centros de datos, y los datos futuros que crearemos algún día, se guardan y transmiten como energía eléctrica:unos y ceros ".

    "Esos unos y ceros son solo un interruptor; uno está encendido, cero está apagado, ", dijo Cai." A medida que el transporte de información óptica con mayor eficiencia energética está ganando importancia rápidamente, no es un gran salto ver por qué los dispositivos que pueden convertir señales eléctricas en ópticas y viceversa son de gran valor ".

    Siendo por el momento, sin embargo, los investigadores advierten que las aplicaciones prácticas quedan en el futuro, pero han creado algo nuevo.

    "Es una gran pieza de ciencia básica, ", dijo Brongersma." Es un trabajo que combina varias disciplinas:óptica no lineal, electrónica, plasmónicos, e ingeniería a nanoescala, en un dispositivo realmente interesante que podría mantenernos ocupados por un tiempo ".


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