Los láseres están en todas partes. Los dispositivos que los utilizan transmiten información y posibilitan la existencia de comunicaciones a larga distancia e internet; ayudan a los médicos que realizan cirugías ya los ingenieros que fabrican herramientas y tecnologías avanzadas; y día a día, nos encontramos con láseres cuando escaneamos nuestros alimentos y vemos DVD. "En los 60 años desde que se inventaron, los láseres han transformado absolutamente nuestras vidas", dijo Giulio Cerullo, investigador de óptica no lineal en el Politecnico di Milano en Italia.

Hoy, con la ayuda de una nueva investigación de Cerullo y colaboradores de la Universidad de Columbia publicada en Nature Photonics , los dispositivos que usan láser están destinados a volverse mucho más pequeños.

Trabajando en el laboratorio del ingeniero James Schuck en Columbia, Ph.D. la estudiante Xinyi Xu y la posdoctoral Chiara Trovatello estudiaron un material 2D llamado disulfuro de molibdeno (MoS₂ ). Caracterizaron la eficiencia de los dispositivos creados a partir de pilas de MoS₂ menos de un micrón de espesor, que es 100 veces más delgado que un cabello humano, convierte las frecuencias de luz en longitudes de onda de telecomunicaciones para producir diferentes colores.

Esta nueva investigación es un primer paso hacia la sustitución de los materiales estándar utilizados en los láseres sintonizables actuales, que se miden en milímetros y centímetros, dijo Trovatello, quien recientemente completó su Ph.D. con Cerullo en Milán. "La óptica no lineal es actualmente un mundo macroscópico, pero queremos hacerlo microscópico", dijo.

Los láseres emiten un tipo especial de luz coherente, lo que significa que todos los fotones del haz comparten la misma frecuencia y, por lo tanto, el mismo color. Los láseres funcionan solo a frecuencias específicas, pero los dispositivos a menudo necesitan poder desplegar diferentes colores de luz láser. Por ejemplo, un puntero láser verde en realidad es producido por un láser infrarrojo que se convierte en un color visible por un material macroscópico. Los investigadores utilizan técnicas ópticas no lineales para cambiar el color de la luz láser, pero los materiales utilizados convencionalmente deben ser relativamente gruesos para que la conversión de color se produzca de manera eficiente.

MoS₂ es uno de los ejemplos más estudiados de una clase emergente de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición, que se pueden pelar en capas atómicamente delgadas. Capas individuales de MoS₂ pueden convertir frecuencias de luz de manera eficiente, pero en realidad son demasiado delgados para ser utilizados para construir dispositivos. Cristales más grandes de MoS_2, mientras tanto, tienden a ser más estables en una forma de conversión sin color. Para fabricar los cristales necesarios, conocidos como 3R-MoS₂ , el equipo trabajó con el proveedor comercial de material 2D HQ Graphene.

Con 3R-MoS₂ en la mano, Xu comenzó a despegar muestras de diferentes espesores para probar cuán eficientemente convertían la frecuencia de la luz. De inmediato, los resultados fueron espectaculares. "Rara vez en ciencia comienzas en un proyecto que termina funcionando mejor de lo que esperas, por lo general es lo contrario. Este fue un caso raro y mágico", comentó Schuck. Por lo general, se necesitan sensores especiales para registrar la luz producida por una muestra, y les lleva algún tiempo hacerlo, explicó Xu. "Con 3R-MoS₂ , pudimos ver la mejora extremadamente grande casi de inmediato", dijo. En particular, el equipo registró estas conversiones en longitudes de onda de telecomunicaciones, una característica clave para posibles aplicaciones de comunicaciones ópticas, como la entrega de servicios de Internet y televisión.

En un accidente afortunado durante un escaneo, Xu se centró en un borde aleatorio de un cristal y vio franjas que sugerían que había modos de guía de ondas presentes dentro del material. Los modos de guía de ondas mantienen sincronizados los fotones de diferentes colores, que de otro modo se mueven a diferentes velocidades a través del cristal, y posiblemente se pueden usar para generar los llamados fotones entrelazados, un componente clave de las aplicaciones de la óptica cuántica. El equipo entregó sus dispositivos al laboratorio del físico Dmitri Basov, donde su posdoctorado Fabian Mooshammer confirmó su corazonada.

Actualmente, el cristal más popular para la conversión guiada por ondas y la generación de fotones entrelazados es el niobato de litio, un material duro y rígido que debe ser bastante grueso para lograr eficiencias de conversión útiles. 3R-MoS₂ es igualmente eficiente pero 100 veces más pequeño y lo suficientemente flexible como para que pueda combinarse con plataformas fotónicas de silicio para crear circuitos ópticos en chips, siguiendo la trayectoria de una electrónica cada vez más pequeña.

Con este resultado de prueba de concepto, el cuello de botella hacia las aplicaciones de la vida real es la producción a gran escala de 3R-MoS₂ y estructuración de dispositivos de alto rendimiento. Allí, dice el equipo, la industria deberá hacerse cargo. Con este trabajo, esperan haber demostrado la promesa de los materiales 2D.

"He estado trabajando en óptica no lineal durante más de treinta años. La investigación suele ser incremental, construyendo lentamente sobre lo que vino antes. Es raro que hagas algo completamente nuevo con un gran potencial", dijo Cerullo. "Tengo la sensación de que este nuevo material podría cambiar el juego". + Explora más

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