La luz es notoriamente rápida. Su velocidad es crucial para el intercambio rápido de información. pero como la luz se desliza a través de los materiales, sus posibilidades de interactuar y excitar átomos y moléculas pueden llegar a ser muy pequeñas. Si los científicos pueden frenar las partículas ligeras, o fotones, abriría la puerta a una gran cantidad de nuevas aplicaciones tecnológicas.

Ahora, en un artículo publicado el 17 de agosto, en Nanotecnología de la naturaleza , Los científicos de Stanford demuestran un nuevo enfoque para reducir la luz significativamente, al igual que una cámara de eco retiene el sonido, y dirigirlo a voluntad. Investigadores en el laboratorio de Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, chips de silicio ultrafinos estructurados en barras a nanoescala para atrapar resonantemente la luz y luego liberarla o redirigirla más tarde. Estos resonadores de "factor de alta calidad" o "alta Q" podrían conducir a formas novedosas de manipular y utilizar la luz, incluyendo nuevas aplicaciones para la computación cuántica, realidad virtual y realidad aumentada; WiFi basado en luz; e incluso la detección de virus como el SARS-CoV-2.

"Básicamente, estamos tratando de atrapar la luz en una pequeña caja que aún permite que la luz entre y salga de muchas direcciones diferentes, "dijo el becario postdoctoral Mark Lawrence, quien también es el autor principal del artículo. "Es fácil atrapar la luz en una caja con muchos lados, pero no tan fácil si los lados son transparentes, como es el caso de muchas aplicaciones basadas en Silicon ".

Hacer y fabricar

Antes de que puedan manipular la luz, los resonadores necesitan ser fabricados, y eso plantea una serie de desafíos.

Un componente central del dispositivo es una capa extremadamente delgada de silicio, que atrapa la luz de manera muy eficiente y tiene una baja absorción en el infrarrojo cercano, el espectro de luz que los científicos quieren controlar. El silicio descansa sobre una oblea de material transparente (zafiro, en este caso) en el que los investigadores dirigen un "bolígrafo" de microscopio electrónico para grabar su patrón de nanoantenas. El patrón debe dibujarse lo más suavemente posible, ya que estas antenas sirven como paredes en la analogía de la cámara de eco, y las imperfecciones inhiben la capacidad de atrapar la luz.

"Las resonancias de alta Q requieren la creación de paredes laterales extremadamente suaves que no permitan que la luz se escape, "dijo Dionne, quien también es Vicerrector Asociado Senior de Plataformas de Investigación / Instalaciones Compartidas. "Eso se puede lograr de manera bastante rutinaria con estructuras de mayor escala de micrones, pero es muy desafiante con nanoestructuras que dispersan más la luz ".

El diseño de patrones juega un papel clave en la creación de nanoestructuras de alta Q. "En una computadora, Puedo dibujar líneas y bloques ultra suaves de cualquier geometría dada, pero la fabricación es limitada, "dijo Lawrence." En última instancia, teníamos que encontrar un diseño que ofreciera un buen rendimiento de captura de luz, pero que estuviera dentro del ámbito de los métodos de fabricación existentes ".

Aplicaciones de alta calidad (factor)

Modificar el diseño ha dado como resultado lo que Dionne y Lawrence describen como una tecnología de plataforma importante con numerosas aplicaciones prácticas.

Los dispositivos demostraron los llamados factores de calidad de hasta 2, 500, que es dos órdenes de magnitud (o 100 veces) más alto que cualquier dispositivo similar que haya logrado anteriormente. Los factores de calidad son una medida que describe el comportamiento de resonancia, que en este caso es proporcional a la vida útil de la luz. "Al lograr factores de calidad por miles, ya nos encontramos en un buen punto a partir de algunas aplicaciones tecnológicas muy interesantes, "dijo Dionne.

Por ejemplo, biosensor. Una sola biomolécula es tan pequeña que es esencialmente invisible. Pero pasar luz sobre una molécula cientos o miles de veces puede aumentar en gran medida la posibilidad de crear un efecto de dispersión detectable.

El laboratorio de Dionne está trabajando en la aplicación de esta técnica para detectar antígenos COVID-19, moléculas que desencadenan una respuesta inmune, y anticuerpos, proteínas producidas por el sistema inmune en respuesta. "Nuestra tecnología daría una lectura óptica como la que los médicos y los médicos están acostumbrados a ver, ", dijo Dionne." Pero tenemos la oportunidad de detectar un solo virus o concentraciones muy bajas de una multitud de anticuerpos debido a las fuertes interacciones luz-molécula ". El diseño de los nanoresonadores de alta Q también permite que cada antena funcione de forma independiente para detectar diferentes tipos de anticuerpos simultáneamente.

Aunque la pandemia estimuló su interés en la detección viral, Dionne también está entusiasmada con otras aplicaciones, como LIDAR, o detección y rango de luz, que es una tecnología de medición de distancia basada en láser que se utiliza a menudo en vehículos autónomos, a la que esta nueva tecnología podría contribuir. "Hace unos años no podría haber imaginado los inmensos espacios de aplicación que este trabajo tocaría, "dijo Dionne." Para mí, Este proyecto ha reforzado la importancia de la investigación fundamental:no siempre se puede predecir hacia dónde se dirigirá la ciencia fundamental o adónde conducirá. pero puede proporcionar soluciones críticas para los desafíos futuros ".

Esta innovación también podría ser útil en la ciencia cuántica. Por ejemplo, dividir fotones para crear fotones entrelazados que permanecen conectados a un nivel cuántico incluso cuando están muy separados normalmente requeriría grandes experimentos ópticos de mesa con cristales grandes y caros pulidos con precisión. "Si podemos hacer eso, pero use nuestras nanoestructuras para controlar y dar forma a esa luz enredada, tal vez algún día tengamos un generador de enredos que puedas sostener en tu mano, "Dijo Lawrence." Con nuestros resultados, estamos emocionados de ver la nueva ciencia que se puede lograr ahora, pero también tratando de empujar los límites de lo que es posible ".