En la década de 1950, el campo de la electrónica comenzó a cambiar cuando el transistor reemplazó los tubos de vacío en las computadoras. El cambio, lo que implicó la sustitución de componentes grandes y lentos por pequeños y rápidos, fue un catalizador para la tendencia perdurable de la miniaturización en el diseño por computadora. Ninguna revolución de este tipo ha llegado todavía al campo de la óptica infrarroja, que sigue dependiendo de piezas móviles voluminosas que impiden la construcción de sistemas pequeños.

Sin embargo, un equipo de investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT, junto con el profesor Juejun Hu y estudiantes graduados del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, está ideando una forma de controlar la luz infrarroja mediante el uso de materiales de cambio de fase en lugar de piezas móviles. Estos materiales tienen la capacidad de cambiar sus propiedades ópticas cuando se les agrega energía.

"Hay varias formas posibles en las que este material puede habilitar nuevos dispositivos fotónicos que impactan la vida de las personas, "dice Hu". Por ejemplo, puede ser útil para interruptores ópticos de bajo consumo, que puede mejorar la velocidad de la red y reducir el consumo de energía de los centros de datos de Internet. Puede habilitar dispositivos metaópticos reconfigurables, como compacto, Lentes con zoom de infrarrojos planos sin partes mecánicas móviles. También puede conducir a nuevos sistemas informáticos, lo que puede hacer que el aprendizaje automático sea más rápido y más eficiente en el consumo de energía en comparación con las soluciones actuales ".

Una propiedad fundamental de los materiales de cambio de fase es que pueden cambiar la rapidez con que la luz viaja a través de ellos (el índice de refracción). "Ya existen formas de modular la luz mediante un cambio de índice de refracción, pero los materiales de cambio de fase pueden cambiar casi 1, 000 veces mejor, "dice Jeffrey Chou, miembro del equipo anteriormente en el Grupo de Microsistemas y Materiales Avanzados del laboratorio.

El equipo controló con éxito la luz infrarroja en múltiples sistemas mediante el uso de una nueva clase de material de cambio de fase que contiene los elementos germanio, antimonio, selenio, y telurio, colectivamente conocido como GSST. Este trabajo se analiza en un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

La magia de un material de cambio de fase ocurre en los enlaces químicos que unen sus átomos. En estado de una fase, el material es cristalino, con sus átomos dispuestos en un patrón organizado. Este estado se puede cambiar aplicando un corto, pico de alta temperatura de energía térmica al material, haciendo que los enlaces en el cristal se rompan y luego se vuelvan a formar de una manera más aleatoria, o amorfo, patrón. Para cambiar el material de nuevo al estado cristalino, Se aplica un pulso de energía térmica de temperatura media y larga.

"Este cambio de los enlaces químicos permite que surjan diferentes propiedades ópticas, similar a las diferencias entre el carbón (amorfo) y el diamante (cristalino), "dice Christopher Roberts, otro miembro del equipo de investigación del Laboratorio Lincoln. "Si bien ambos materiales son principalmente carbono, tienen propiedades ópticas muy diferentes ".

En la actualidad, los materiales de cambio de fase se utilizan para aplicaciones industriales, como la tecnología Blu-ray y los DVD regrabables, porque sus propiedades son útiles para almacenar y borrar una gran cantidad de información. Pero hasta ahora, nadie los ha usado en óptica infrarroja porque tienden a ser transparentes en un estado y opacos en el otro. (Piense en el diamante, que luz puede atravesar, y carbón, que la luz no puede penetrar.) Si la luz no puede atravesar uno de los estados, entonces esa luz no puede controlarse adecuadamente para una variedad de usos; en lugar de, un sistema solo podría funcionar como un interruptor de encendido / apagado, permitiendo que la luz pase a través del material o no lo atraviese en absoluto.

Sin embargo, el equipo de investigación descubrió que al agregar el elemento selenio al material original (llamado GST), La absorción de luz infrarroja del material en la fase cristalina disminuyó drásticamente; en esencia, cambiándolo de un material opaco similar al carbón a uno más transparente similar al diamante. Y lo que es más, la gran diferencia en el índice de refracción de los dos estados afecta la propagación de la luz a través de ellos.

"Este cambio en el índice de refracción, sin introducir pérdida óptica, permite el diseño de dispositivos que controlan la luz infrarroja sin necesidad de piezas mecánicas, "Dice Roberts.

Como ejemplo, Imagine un rayo láser que apunta en una dirección y necesita cambiarse a otra. En los sistemas actuales, un gran cardán mecánico movería físicamente una lente para dirigir el rayo a otra posición. Una lente de película delgada hecha de GSST podría cambiar de posición reprogramando eléctricamente los materiales de cambio de fase, permitiendo la dirección del haz sin partes móviles.

El equipo ya ha probado el material con éxito en una lente móvil. También han demostrado su uso en imágenes hiperespectrales infrarrojas, que se utiliza para analizar imágenes en busca de objetos ocultos o información, y en un obturador óptico rápido que pudo cerrarse en nanosegundos.

Los usos potenciales de GSST son vastos, y un objetivo final para el equipo es diseñar chips ópticos reconfigurables, lentes, y filtros, que actualmente debe reconstruirse desde cero cada vez que se requiera un cambio. Una vez que el equipo esté listo para mover el material más allá de la fase de investigación, debería ser bastante fácil realizar la transición al espacio comercial. Debido a que ya es compatible con los procesos de fabricación microelectrónicos estándar, Los componentes GSST podrían fabricarse a bajo costo y en grandes cantidades.

Recientemente, el laboratorio obtuvo una cámara de pulverización combinatoria, una máquina de última generación que permite a los investigadores crear materiales personalizados a partir de elementos individuales. El equipo utilizará esta cámara para optimizar aún más los materiales para mejorar la confiabilidad y las velocidades de conmutación. así como para aplicaciones de baja potencia. También planean experimentar con otros materiales que puedan resultar útiles para controlar la luz visible.

Los próximos pasos para el equipo son observar de cerca las aplicaciones de GSST en el mundo real y comprender qué necesitan esos sistemas en términos de energía, Talla, velocidad de conmutación, y contraste óptico.

"El impacto [de esta investigación] es doble, "Hu dice." Los materiales de cambio de fase ofrecen un cambio de índice de refracción drásticamente mejorado en comparación con otros efectos físicos, inducidos por el campo eléctrico o el cambio de temperatura, por ejemplo, permitiendo así dispositivos y circuitos ópticos reprogramables extremadamente compactos. Nuestra demostración de transparencia óptica biestatal en estos materiales también es significativa porque ahora podemos crear componentes infrarrojos de alto rendimiento con una pérdida óptica mínima ". El nuevo material, Hu continúa, Se espera que abra un espacio de diseño completamente nuevo en el campo de la óptica infrarroja.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.