Las fuentes que integran dos conceptos de material óptico artificial pueden impulsar comunicaciones ultrarrápidas "Li-Fi".

En muchas aplicaciones, Las redes ópticas Li-Fi a través del aire ofrecen potencialmente importantes ventajas sobre Wi-Fi y otros sistemas de radiofrecuencia. Las redes Li-Fi pueden funcionar a velocidades extremadamente altas. Pueden explotar un espectro de frecuencias extremadamente amplio. Evitan los problemas de interferencia que afectan a los sistemas de radiofrecuencia, que son especialmente problemáticos en entornos de alta seguridad como cabinas de aviones y centrales nucleares. Están menos abiertos a los piratas informáticos. Y aunque su alcance es relativamente limitado, no necesitan conexiones de línea de visión para funcionar, dijo Evgenii Narimanov, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Purdue.

Las redes Li-Fi de hoy no pueden lograr todos estos beneficios potenciales porque carecen de fuentes de luz adecuadas, él dijo.

Pero los diseños que integran dos conceptos de material óptico en "hipercristales fotónicos" pueden llenar este vacío.

Narimanov propuso por primera vez este concepto en 2014. Este mes, él y sus colegas del City College de Nueva York informaron demostraciones de hipercristales fotónicos con tasas e intensidades de emisión de luz muy aumentadas en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

Los hipercristales fotónicos combinan las propiedades de los metamateriales y los cristales fotónicos, Ambos materiales ópticos "artificiales" con propiedades que normalmente no se encuentran en la naturaleza, Dijo Narimanov.

Los metamateriales se crean a partir de bloques de construcción artificiales que son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz, mientras que en los cristales fotónicos el tamaño de la "celda unitaria" es comparable a esta longitud de onda. Si bien estos dos tipos de materiales compuestos generalmente muestran propiedades muy diferentes, los hipercristales fotónicos los combinan todos dentro de la misma estructura.

Los hipercristales fotónicos se basan en un tipo llamado metamateriales hiperbólicos, que se puede construir con capas alternas de metal y materiales dieléctricos, donde la corriente eléctrica solo puede viajar a lo largo de las capas metálicas.

"Generalmente, por la luz, Los metales y los dieléctricos son fundamentalmente diferentes:la luz puede viajar en dieléctricos, pero se refleja en los metales, ", Dijo Narimanov." Pero un metamaterial hiperbólico se comporta como metal a lo largo de las capas y como dieléctrico en la dirección perpendicular a las capas, al mismo tiempo. Por la luz, los medios hiperbólicos son, por lo tanto, el tercer estado de la materia, completamente diferente de los metales y dieléctricos habituales ".

Entre las interesantes propiedades que produce esta estructura, el metamaterial acomoda una gran cantidad de estados fotónicos, permitiendo la emisión de luz espontánea a velocidades extremadamente altas.

"Para una fuente de luz, el problema es que esta luz en el metamaterial hiperbólico no puede salir, "dijo Narimanov.

Ingrese a los cristales fotónicos, nanoestructuras periódicas que pueden manipular la interferencia óptica para optimizar la transmisión de luz.

En los hipercristales fotónicos integrados presentados en el artículo de PNAS, el metamaterial hiperbólico consiste en capas alternas de plata (el metal) y óxido de aluminio (el dieléctrico). Las matrices hexagonales de agujeros fresados ​​en las capas crean el cristal fotónico. En el diseño, la luz visible es emitida por puntos cuánticos (nanopartículas semiconductoras que pueden emitir luz) incrustados en una de las capas que forman el metamaterial hiperbólico.

El resultado:niveles extremadamente altos de control y mejora de la luz emitida.

"Estos hipercristales fotónicos se fabricaron en el Centro de Investigación Científica Avanzada de la Universidad de la Ciudad de Nueva York utilizando técnicas estándar de nano y microfabricación, como la evaporación de película delgada y el fresado con haz de iones enfocado. "dijo Tal Galfsky, un estudiante graduado de CCNY que es el autor principal del artículo de PNAS. "Estas técnicas son escalables con las capacidades de la industria moderna".

Vinod Menon, Profesor de física del CCNY, es el autor principal del artículo, y el estudiante graduado de CCNY, Jie Gu, también contribuyeron al trabajo.

El trabajo reportado en PNAS demuestra que "en un nivel fundamental, se ha resuelto el problema de diseñar hipercristales fotónicos, "dijo Narimanov.

Él advierte, sin embargo, que deben superarse importantes desafíos de ingeniería antes de que estos dispositivos puedan comercializarse. Entre estas barreras, los dispositivos de demostración son bombeados ópticamente por un láser, pero las versiones comerciales deberán funcionar eléctricamente e incorporar LED semiconductores u orgánicos, él dijo.

A medida que maduran, Los hipercristales fotónicos también pueden cumplir muchas otras funciones exigentes en la optoelectrónica ultrarrápida. Una de las vías de investigación más prometedoras, Narimanov sugirió, es crear versiones más eficientes de las pistolas de fotón único empleadas en el procesamiento de información cuántica.