Un equipo dirigido por Sandia National Laboratories ha utilizado por primera vez la óptica en lugar de la electrónica para cambiar un dispositivo de película fina de nanómetros de espesor de completamente oscuro a completamente transparente. o luz, a una velocidad de billonésimas de segundo.

El equipo dirigido por el investigador principal Igal Brener publicó un Fotónica de la naturaleza artículo de esta primavera con colaboradores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. El documento describe el trabajo sobre el procesamiento óptico de información, como el control de conmutación o polarización de la luz utilizando luz como haz de control, a velocidades de terahercios, una tasa mucho más rápida que la que se puede lograr hoy por medios electrónicos, y un tamaño de dispositivo más pequeño que otras tecnologías de conmutación totalmente ópticas.

Los electrones que giran en el interior de dispositivos como los que se utilizan en los equipos de telecomunicaciones tienen un límite de velocidad debido a una velocidad de carga lenta y una mala disipación del calor. por tanto, si el objetivo es una operación significativamente más rápida, los electrones podrían tener que ceder el paso a los fotones.

Para usar fotones de manera efectiva, la técnica requiere un dispositivo que va de completamente claro a completamente oscuro a velocidades de terahercios. En el pasado, los investigadores no pudieron obtener el cambio de contraste necesario de un interruptor óptico a la velocidad necesaria en un dispositivo pequeño. Los intentos anteriores eran más como atenuar una luz que apagarla, o luz requerida para viajar una larga distancia.

El avance muestra que es posible realizar una conmutación totalmente óptica de alto contraste en un dispositivo muy delgado, en el que la intensidad de la luz o la polarización se cambia ópticamente, dijo Yuanmu Yang, un ex empleado postdoctoral de Sandia Labs que trabajó en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios del Departamento de Energía operada conjuntamente por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos. El trabajo se realizó en CINT.

"En lugar de encender y apagar una corriente, el objetivo sería encender y apagar la luz a velocidades mucho más rápidas de lo que se puede lograr en la actualidad, "Dijo Yang.

Procesamiento de información más rápido importante en las comunicaciones, investigación física

Una plataforma de conmutación muy rápida y compacta abre una nueva forma de investigar problemas físicos fundamentales. "Muchos procesos físicos ocurren a una velocidad muy rápida, a una velocidad de unos pocos terahercios, "Dijo Yang." Tener esta herramienta nos permite estudiar la dinámica de procesos físicos como la rotación molecular y el giro magnético. Es importante para la investigación y para hacer avanzar el conocimiento ".

También podría actuar como un interruptor de polarización rápido (la polarización cambia las características de la luz) que podría usarse en imágenes biológicas o espectroscopía química. Dijo Brener. "A veces se realizan mediciones que requieren cambiar la polarización de la luz a un ritmo muy rápido. Nuestro dispositivo también puede funcionar así. Es un interruptor absoluto que se enciende y apaga o un interruptor de polarización que simplemente cambia la polarización de la luz".

El procesamiento ultrarrápido de la información "es importante en la informática, telecomunicaciones procesamiento de la señal, procesamiento de imágenes y en experimentos de química y biología en los que desee un cambio muy rápido, ", Dijo Brener." Hay algunas técnicas de imágenes basadas en láser que también se beneficiarán de tener una conmutación rápida ".

El descubrimiento del equipo surgió de una investigación financiada por Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, División de Ciencias e Ingeniería de Materiales, ese, entre otras cosas, permite a Sandia estudiar la interacción luz-materia y diferentes conceptos en nanofotónica.

"Este es un ejemplo en el que simplemente creció orgánicamente de la investigación fundamental a algo que tiene un rendimiento asombroso, "Dijo Brener." Además, Tuvimos suerte de tener una colaboración con la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Ellos tenían el material y nos dimos cuenta de que podíamos usarlo para este propósito. No fue impulsado por un proyecto aplicado; Era de la otra manera."

La técnica utiliza rayos láser para transportar información, interruptor de dispositivo

La técnica utiliza dos rayos láser, uno lleva la información y el segundo enciende y apaga el dispositivo.

El haz de conmutación utiliza fotones para calentar electrones dentro de los semiconductores a temperaturas de unos pocos miles de grados Fahrenheit. lo que no hace que la muestra se caliente tanto, pero cambia drásticamente las propiedades ópticas del material. El material también se relaja a velocidades de terahercios, en unos pocos cientos de femtosegundos o en menos de una billonésima de segundo. "Para que podamos encender y apagar este material a una velocidad de unos billones de veces por segundo, "Dijo Yang.

Los investigadores de Sandia encienden y apagan el interruptor óptico creando algo llamado cavidad plasmónica, que confina la luz en unas pocas decenas de nanómetros, y aumenta significativamente la interacción luz-materia. Utilizando un material plasmónico especial, óxido de cadmio dopado del estado de Carolina del Norte, construyeron una cavidad plasmónica de alta calidad. Calentar electrones en el óxido de cadmio dopado modifica drásticamente las propiedades optoeléctricas de la cavidad plasmónica, modulando la intensidad de la luz reflejada.

Los materiales plasmónicos tradicionales como el oro o la plata apenas son sensibles al haz de control óptico. Hacer brillar un rayo sobre ellos no cambia sus propiedades de claro a oscuro o viceversa. El rayo de control óptico, sin embargo, altera la cavidad de óxido de cadmio dopado muy rápidamente, controlando sus propiedades ópticas como un interruptor de encendido y apagado.

El siguiente paso es averiguar cómo usar pulsos eléctricos en lugar de pulsos ópticos para activar el interruptor. Dado que un enfoque totalmente óptico todavía requiere un gran equipo, Dijo Brener. Estima que el trabajo podría llevar de tres a cinco años.

"Para fines prácticos, necesitas miniaturizar y hacer esto eléctricamente, " él dijo.

Los autores del artículo son Yang, Brener, Salvatore Campione, Willie Luk y Mike Sinclair de Sandia Labs y Jon-Paul Maria, Kyle Kelley y Edward Sachet en el estado de Carolina del Norte.