La electrónica se empareja cada vez más con sistemas ópticos, como cuando se accede a Internet en una computadora con funcionamiento electrónico a través de cables de fibra óptica.

Pero combinar la óptica, que se basa en partículas de luz llamadas fotones, con la electrónica, que depende de los electrones, es un desafío. debido a sus escalas dispares. Los electrones funcionan a una escala mucho más pequeña que la luz. El desajuste entre los sistemas electrónicos y los sistemas ópticos significa que cada vez que una señal se convierte de uno a otro, la ineficiencia se infiltra en el sistema.

Ahora, un equipo dirigido por un científico de la Universidad de Purdue ha encontrado una manera de crear metamateriales más eficientes utilizando semiconductores y un aspecto novedoso de la física que amplifica la actividad de los electrones. El estudio se publica en la revista Optica .

Esta nueva clase de materiales tiene el potencial de aumentar drásticamente la resolución en escaneos médicos e imágenes científicas y reducir drásticamente el tamaño de las supercomputadoras. creando un futuro donde los científicos puedan ver cosas diminutas con mucho mayor detalle y los dispositivos sean más pequeños y más poderosos.

Los científicos han trabajado durante décadas para reducir los fotones a una escala nanométrica para hacerlos más compatibles con los electrones, un campo conocido como nanofonónica. Esto se puede lograr utilizando materiales enrarecidos y costosas técnicas de producción para fabricar los llamados materiales hiperbólicos. Usando materiales hiperbólicos, los científicos pueden encoger los fotones comprimiendo la luz, facilitando la interfaz con los sistemas eléctricos.

Evgenii Narimanov, físico teórico y profesor de ingeniería eléctrica e informática en Purdue, explicado, "Lo más importante de los materiales hiperbólicos es que pueden comprimir la luz a casi cualquier escala. Cuando se puede hacer que la luz sea pequeña, se soluciona el problema de la desconexión entre óptica y electrónica. Entonces puede hacer optoelectrónica muy eficiente ".

El problema radica en la creación de estos materiales hiperbólicos. Por lo general, consisten en capas entrelazadas de metales y dieléctricos, y cada superficie debe ser lo más lisa y libre de defectos posible a nivel atómico, algo que es dificil, lento y costoso.

La solución, Narimanov cree, incluye semiconductores. No, enfatizó, debido a algo especial sobre los propios semiconductores. Pero porque los científicos e investigadores se han dedicado los últimos 70 años o más a producir semiconductores de alta calidad de manera eficiente. Narimanov se preguntó si podría aprovechar esa habilidad y aplicarla para producir metamateriales nuevos y mejorados.

Desafortunadamente, los semiconductores no producen metamateriales ópticos inherentemente buenos; no tienen suficientes electrones. Pueden trabajar a frecuencias relativamente bajas, en la escala del infrarrojo medio a lejano. Pero para mejorar las tecnologías de imagen y detección, los científicos necesitan metamateriales que funcionen en el espectro visible en el infrarrojo cercano, en longitudes de onda mucho más cortas que el infrarrojo medio y lejano.

Narimanov y sus colaboradores descubrieron y probaron un fenómeno óptico llamado 'resonancia balística'. En estos nuevos materiales ópticos, que combinan conceptos de metamateriales con la precisión atómica de los semiconductores monocristalinos, los electrones libres (balísticos) interactúan con un campo óptico oscilante.

Sincronizar el campo óptico con la frecuencia del movimiento de los electrones libres a medida que rebotan dentro de los confines de las capas conductoras delgadas, formando el material compuesto, hace que los electrones resuenen, mejorando la reacción de cada electrón y creando un metamaterial que trabaja a frecuencias más altas. Si bien los investigadores aún no pudieron alcanzar las longitudes de onda del espectro visible, obtuvieron el 60% del camino hasta allí.

"Demostramos que existe un mecanismo físico que lo hace posible, ", Dijo Narimanov." Antes, la gente no se dio cuenta de que esto era algo que se podía hacer. Hemos abierto el camino. Demostramos que es teóricamente posible, y luego demostramos experimentalmente una mejora del 60% en la frecuencia operativa con respecto a los materiales existentes ".

Narimanov originó la idea y luego se asoció con Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank y Daniel Wasserman en la Universidad de Texas, así como Evan Simmons y Viktor Podolskiy en la Universidad de Massachusetts Lowell. Los investigadores de la Universidad de Texas desarrollaron la tecnología de fabricación, mientras que los científicos de Massachusetts Lowell contribuyeron a la teoría cuántica completa y realizaron las simulaciones numéricas para asegurarse de que todo funcionara según lo planeado.

"Seguiremos empujando esta frontera, ", Dijo Narimanov." Incluso si tenemos un gran éxito, nadie va a llevar metamateriales semiconductores al espectro visible e infrarrojo cercano en un año o dos. Puede llevar unos cinco años. Pero lo que hemos hecho es proporcionar la plataforma material. El cuello de botella para la fotónica está en el material donde los electrones y fotones pueden encontrarse en la misma escala de longitud, y lo hemos solucionado ".