Ilustración de una monocapa de cristal de disulfuro de tungsteno suspendida en el aire y modelada con una matriz cuadrada de nanoagujeros. Tras la excitación del láser, el cristal monocapa emite fotoluminiscencia. Una parte de esta luz se acopla al cristal monocapa y se guía a lo largo del material. En la matriz de nanoagujeros, La modulación periódica en el índice de refracción hace que una pequeña parte de la luz decaiga fuera del plano del material. permitiendo que la luz sea observada como resonancia en modo guiado. Crédito:laboratorio Cubukcu
Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado el dispositivo óptico más delgado del mundo:una guía de ondas que tiene tres capas de átomos de espesor.
El trabajo es una prueba de concepto para reducir los dispositivos ópticos a tamaños que son órdenes de magnitud más pequeños que los dispositivos actuales. Podría conducir al desarrollo de una mayor densidad, chips fotónicos de mayor capacidad. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 12 de agosto en Nanotecnología de la naturaleza .
"Fundamentalmente, Demostramos el límite máximo de cuán delgada se puede construir una guía de ondas óptica, "dijo el autor principal Ertugrul Cubukcu, profesor de nanoingeniería e ingeniería eléctrica en UC San Diego.
La nueva guía de ondas mide aproximadamente seis angstroms de grosor, es decir, más de 10, 000 veces más delgada que una fibra óptica típica y aproximadamente 500 veces más delgada que las guías de onda ópticas en chip en circuitos fotónicos integrados.
La guía de ondas consta de una monocapa de disulfuro de tungsteno (formada por una capa de átomos de tungsteno intercalados entre dos capas de átomos de azufre) suspendida sobre un marco de silicio. La monocapa también está modelada con una serie de orificios de tamaño nanométrico que forman un cristal fotónico.
Lo que tiene de especial este cristal monocapa es que admite pares de agujeros de electrones, conocidos como excitones, a temperatura ambiente. Estos excitones generan una fuerte respuesta óptica, dando al cristal un índice de refracción que es aproximadamente cuatro veces mayor que el del aire, que rodea sus superficies. En comparación, otro material con el mismo espesor no tendría un índice de refracción tan alto. Cuando la luz se envía a través del cristal, está atrapado en el interior y guiado a lo largo del plano por una reflexión interna total. Este es el mecanismo básico de funcionamiento de una guía de ondas óptica.
Imagen SEM de la estructura de la guía de ondas:un monoloayer de disulfuro de tungsteno suspendido con un patrón de orificios nanométricos. Crédito:laboratorio Cubukcu
Otra característica especial es que la guía de ondas canaliza la luz en el espectro visible. "Es un desafío hacer esto en un material tan delgado, "Dijo Cubukcu." La guía de ondas se ha demostrado previamente con grafeno, que también es atómicamente delgado, pero en longitudes de onda infrarrojas. Hemos demostrado por primera vez la conducción de ondas en la región visible ".
Los orificios nanométricos grabados en el cristal permiten que algo de luz se disperse perpendicularmente al plano para que pueda ser observado y sondeado. Este conjunto de orificios produce una estructura periódica que hace que el cristal también funcione como resonador.
"Esto también lo convierte en el resonador óptico más delgado para luz visible que se haya demostrado experimentalmente, "dijo el primer autor Xingwang Zhang, quien trabajó en este proyecto como investigador postdoctoral en el laboratorio de Cubukcu en UC San Diego. "Este sistema no solo mejora de manera resonante la interacción luz-materia, pero también sirve como un acoplador de rejilla de segundo orden para acoplar la luz en la guía de ondas óptica ".
Los investigadores utilizaron técnicas avanzadas de micro y nanofabricación para crear la guía de ondas. Crear la estructura fue particularmente desafiante, dijo Chawina De-Eknamkul, un doctorado en nanoingeniería estudiante de UC San Diego y coautor del estudio. "El material es atómicamente delgado, así que tuvimos que idear un proceso para suspenderlo en un marco de silicona y modelarlo con precisión sin romperlo, " ella dijo.
El proceso comienza con una fina membrana de nitruro de silicio sostenida por un marco de silicio. Este es el sustrato sobre el que se construye la guía de ondas. Una serie de agujeros de tamaño nanométrico se modela en la membrana para crear una plantilla. Próximo, una monocapa de cristal de disulfuro de tungsteno se estampa sobre la membrana. Luego, los iones se envían a través de la membrana para grabar el mismo patrón de agujeros en el cristal. En el último paso la membrana de nitruro de silicio se graba suavemente, dejando el cristal suspendido en el marco de silicona. El resultado es una guía de ondas óptica en la que el núcleo consiste en un cristal fotónico de disulfuro de tungsteno monocapa rodeado por un material (aire) con un índice de refracción más bajo.
Avanzando el equipo continuará explorando las propiedades fundamentales y la física de la guía de ondas.
