Desde microscopios hasta transferencia de datos a través de fibras ópticas hasta tecnologías cuánticas modernas, la luz juega un papel importante en la ciencia y la industria. En particular, los métodos para cambiar el color, y por lo tanto la frecuencia y la longitud de onda, de la luz son de gran importancia en las aplicaciones modernas. Estos métodos requieren el uso de cristales no lineales. En tales cristales, dos fotones de una frecuencia particular pueden, por ejemplo, convertirse en un fotón que tenga el doble de esa frecuencia, digamos, dos rojos en uno solo azul.

Para que eso funcione sin embargo, la luz normalmente tiene que incidir en el cristal en una dirección específica y con una polarización específica. Este llamado emparejamiento de fases a menudo limita severamente las aplicaciones prácticas. Un equipo de investigadores dirigido por la profesora de ETH Rachel Grange en el Instituto de Electrónica Cuántica, junto al grupo de Lucio Isa en el Departamento de Materiales, ahora han desarrollado un método mediante el cual se puede obtener una duplicación de frecuencia eficiente sin tal ajuste fino, y que también tiene otras ventajas en comparación con los métodos convencionales.

Enfoques aparentemente irreconciliables

La receta de los investigadores se puede resumir a grandes rasgos así:más bien pequeña que grande, y un lío es mejor que el orden. Eso suena misterioso pero la tarea que el equipo de Grange se había propuesto era un acertijo igualmente grande:"Para una duplicación de frecuencia mejor y más ampliamente aplicable, queríamos combinar dos enfoques que realmente no encajan, "dice Romolo Savo, quien dirigió el proyecto como postdoctorado en el marco de una beca Marie-Skłodowska-Curie.

En el primer enfoque, en lugar de un solo cristal grande, se utiliza un conjunto de lotes de mini-cristales cuyos ejes de cristal individuales apuntan en direcciones aleatorias. De ese modo, ya no es necesario controlar estrictamente las direcciones de los rayos de luz entrantes. Entre los muchos mini-cristales habrá algunos que estén orientados favorablemente y otros que estén orientados desfavorablemente, pero, en general, siempre producirán una cantidad significativa de luz con el doble de frecuencia. "Suena contradictorio, "Savo admite, "y algunos de nuestros colegas estaban realmente desconcertados por la idea de usar el desorden de esa manera, ¡pero funciona!"

El segundo enfoque se basa en la acción potenciadora de las resonancias. Si el conjunto de minicristales es esférico, por ejemplo, con un diámetro aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz, la intensidad dentro de la esfera aumenta de forma múltiple por la reflexión repetida de las ondas de luz de las paredes de la esfera, y por lo tanto también el rendimiento de la luz duplicada en frecuencia. Por lo tanto, Para hacer un uso óptimo de ambos efectos al mismo tiempo, los investigadores querían moldear un polvo cristalino desordenado en esferas del tamaño de un micrómetro para aprovechar la mejora resonante de la luz. Los cristales individuales de titanato de bario que pretendían utilizar para ese fin tenían que ser muy pequeños, solo alrededor de 50 nanómetros de tamaño, de modo que fueran lo suficientemente transparentes como para permitir que la luz pasara a través de ellas muchas veces y así crear resonancias en las microesferas.

Un consejo durante la pausa para el café

"Entonces, tuvimos esta gran idea, pero no tengo ni idea de cómo convertir los numerosos nanocristales diminutos en microesferas perfectas, "dice Savo". Entonces, Un día, conocimos a Lucio Isa durante la pausa para el café y le contamos nuestro problema, y ​​él tenía una idea para nosotros allí mismo ". La sugerencia de Isa fue disolver el polvo de nanocristales en agua, mezclar la solución con aceite, y finalmente agitar todo vigorosamente, de manera similar a como se haría con una vinagreta hecha de vinagre y aceite. Dentro de la emulsión creada por ese proceso, Entonces se formarán pequeñas burbujas de la solución de cristales de agua, de donde el agua se evapora gradualmente a través del aceite. En el final, diminuto, permanecen esferas perfectamente formadas de nanocristales desordenados, que es exactamente lo que buscaban Grange y sus colaboradores. "De ese consejo, comenzó la colaboración con el grupo de Isa, "dice Grange:" Por cierto, tales colaboraciones espontáneas, que no se han planificado de antemano, suelen ser los más fructíferos. Por supuesto, Inmediatamente probamos la receta de Isa ".

Versatilidad más ahorro de material

Y la receta funcionó, incluso mejor de lo que cabría esperar. "La duplicación de frecuencia con las diminutas esferas hechas de nanocristales desordenados funciona independientemente de la dirección de la luz entrante, así como en un amplio rango de frecuencias. Esto lo hace mucho más versátil que la duplicación de frecuencia con cristales convencionales," "Savo explica. Además de eso, los investigadores obtuvieron el mismo rendimiento de luz con doble frecuencia utilizando un 70% menos de material. Al contrario de los cristales ordinarios, por lo que la producción de luz deja de crecer más allá de un cierto tamaño, continuó aumentando con el volumen de las microesferas.

Cristales láser de alta calidad a partir de polvo

Grange y sus colegas ahora quieren mejorar aún más su método, por ejemplo, agregando un espaciador entre las microesferas y el portaobjetos de vidrio sobre el que descansan. Esto debería minimizar las pérdidas de luz. Los investigadores también han comenzado a pensar en posibles aplicaciones. La perspectiva de producir cristales no lineales de alto rendimiento a partir de un polvo de nanocristales simple y económico es interesante para las tecnologías láser en general. También, es posible esparcir las microesferas en grandes áreas. Esto podría conducir a la producción de un nuevo tipo de pantalla que convierte directamente imágenes en el rango infrarrojo en imágenes visibles duplicando la frecuencia. Estas pantallas podrían utilizarse en cámaras para aplicaciones de seguridad y ciencias biológicas.