Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un material que podría reducir las pérdidas de señal en los dispositivos fotónicos. El avance tiene el potencial de aumentar la eficiencia de varias tecnologías basadas en la luz, incluidos los sistemas de comunicación por fibra óptica, láseres y fotovoltaicos.

El descubrimiento aborda uno de los mayores desafíos en el campo de la fotónica:minimizar la pérdida de señales ópticas (basadas en la luz) en dispositivos conocidos como metamateriales plasmónicos.

Los metamateriales plasmónicos son materiales diseñados a nanoescala para controlar la luz de formas inusuales. Pueden usarse para desarrollar dispositivos exóticos que van desde capas de invisibilidad hasta computadoras cuánticas. Pero un problema con los metamateriales es que normalmente contienen metales que absorben energía de la luz y la convierten en calor. Como resultado, parte de la señal óptica se desperdicia, bajando la eficiencia.

En un estudio reciente publicado en Comunicaciones de la naturaleza , un equipo de investigadores de fotónica dirigido por la profesora de ingeniería eléctrica Shaya Fainman en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego demostró una manera de compensar estas pérdidas incorporando en el metamaterial algo que emite luz:un semiconductor.

"Estamos compensando la pérdida introducida por el metal con la ganancia del semiconductor. Teóricamente, esta combinación podría resultar en una absorción neta cero de la señal, un metamaterial 'sin pérdidas', "dijo Joseph Smalley, un becario postdoctoral en ingeniería eléctrica en el grupo de Fainman y el primer autor del estudio.

En sus experimentos, los investigadores arrojaron luz de un láser infrarrojo sobre el metamaterial. Descubrieron que, según la forma en que se polariza la luz, en qué plano o dirección (hacia arriba y hacia abajo, de lado a lado) todas las ondas de luz están configuradas para vibrar:el metamaterial refleja o emite luz.

"Este es el primer material que se comporta simultáneamente como un metal y un semiconductor. Si la luz está polarizada en una dirección, el metamaterial refleja la luz como un metal, y cuando la luz se polariza al revés, el metamaterial absorbe y emite luz de un 'color' diferente como un semiconductor, "Dijo Smalley.

Los investigadores crearon el nuevo metamaterial cultivando primero un cristal del material semiconductor, llamado fosfuro de arseniuro de galio indio, sobre un sustrato. Luego utilizaron iones de alta energía del plasma para grabar trincheras estrechas en el semiconductor, creando filas de semiconductores de 40 nanómetros de ancho espaciadas a 40 nanómetros de distancia. Finalmente, llenaron las trincheras con plata para crear un patrón de franjas nanométricas alternas de semiconductores y plata.

"Esta es una forma única de fabricar este tipo de metamaterial, ", Dijo Smalley. Las nanoestructuras con diferentes capas a menudo se hacen depositando cada capa por separado una encima de otra, "como una pila de papeles en un escritorio, "Smalley explicó. Pero el material semiconductor utilizado en este estudio (fosfuro de arseniuro de galio indio) no se puede cultivar simplemente sobre cualquier sustrato (como la plata), de lo contrario tendrá defectos. "En lugar de crear una pila de capas alternas, Descubrimos una manera de organizar los materiales uno al lado del otro, como carpetas en un archivador, manteniendo el material semiconductor libre de defectos ".

Como siguiente paso, el equipo planea investigar en qué medida este metamaterial y otras versiones del mismo podrían mejorar las aplicaciones fotónicas que actualmente sufren pérdidas de señal.