Al disponer discos de oro afinados ópticamente en un patrón poco espaciado, Los científicos de la Universidad de Rice crearon campos eléctricos intensos y mejoraron las propiedades ópticas no lineales del sistema. Aquí, un modelo de computadora muestra las interacciones plasmónicas que dan lugar a los campos intensos. Crédito:Yu Zhang / Universidad Rice
Los científicos de la Universidad de Rice han presentado un nuevo método robusto para organizar nanopartículas metálicas en patrones geométricos que pueden actuar como procesadores ópticos que transforman las señales de luz entrantes en salidas de un color diferente. El avance de un equipo de físicos e ingenieros teóricos y aplicados del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP) se describe esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
El equipo de Rice utilizó el método para crear un dispositivo óptico en el que la luz entrante podría controlarse directamente con la luz mediante un proceso conocido como "mezcla de cuatro ondas". La mezcla de cuatro ondas se ha estudiado ampliamente, pero el método de modelado de discos de Rice es el primero que puede producir materiales que están diseñados para realizar mezclas de cuatro ondas con una amplia gama de entradas y salidas de colores.
"La versatilidad es una de las ventajas de este proceso, "dijo la coautora del estudio, Naomi Halas, director de LANP y profesor Stanley C.Moore de Rice en Ingeniería Eléctrica e Informática y profesor de ingeniería biomédica, química, física y astronomía. "Nos permite mezclar colores de una manera muy general. Eso significa que no solo podemos enviar haces de dos colores diferentes y obtener un tercer color, pero podemos ajustar las disposiciones para crear dispositivos que estén diseñados para aceptar o producir un amplio espectro de colores ".
El procesamiento de información que tiene lugar dentro de las computadoras de hoy, teléfonos inteligentes y tabletas es electrónico. Cada uno de los miles de millones de transistores en un chip de computadora utiliza entradas eléctricas para actuar y modificar las señales eléctricas que lo atraviesan. El procesamiento de información con luz en lugar de electricidad podría permitir que las computadoras sean más rápidas y más eficientes energéticamente, pero construir una computadora óptica es complicado por las reglas cuánticas a las que obedece la luz.
Los físicos e ingenieros del Laboratorio de Nanofotónica de Rice han presentado un nuevo método robusto para organizar nanopartículas metálicas en patrones geométricos que pueden actuar como procesadores ópticos que transforman las señales de luz entrantes en salidas de un color diferente. Crédito:Yu Zhang / Universidad Rice
"En la mayoría de circunstancias, un rayo de luz no interactuará con otro, "dijo el físico teórico de LANP Peter Nordlander, coautor del nuevo estudio. "Por ejemplo, si enciende una linterna en una pared y cruza ese rayo con el rayo de una segunda linterna, no importa. La luz que sale de la primera linterna pasará, independiente de la luz del segundo.
"Esto cambia si la luz viaja en un 'medio no lineal, '”, dijo.“ Las propiedades electromagnéticas de un medio no lineal son tales que la luz de un rayo interactuará con otro. Entonces, si hace brillar las dos linternas a través de un medio no lineal, la intensidad del rayo de la primera linterna se reducirá proporcionalmente a la intensidad del segundo rayo ".
Los discos de oro sintonizados para capturar la energía de dos haces de luz entrantes pueden producir una salida de un tercer color. Aquí una animación por computadora muestra cómo la onda electromagnética (rojo =positivo, azul =negativo) de la luz entrante se propaga a través del sistema como una serie de ondas plasmónicas. Crédito:Yu-Rong Zhen / Rice University
Los patrones de discos metálicos que los científicos de LANP crearon para el PNAS Los estudios son un tipo de medios no lineales. El equipo utilizó litografía por haz de electrones para grabar discos de oro en forma de disco que se colocaron en una superficie transparente para realizar pruebas ópticas. El diámetro de cada disco era aproximadamente una milésima parte del ancho de un cabello humano. Cada uno fue diseñado para recolectar la energía de una frecuencia de luz particular; organizando una docena de discos en un patrón poco espaciado, el equipo pudo mejorar las propiedades no lineales del sistema creando campos eléctricos intensos.
"Nuestro sistema explota un efecto plasmónico particular llamado resonancia Fano para aumentar la eficiencia del efecto no lineal relativamente débil que subyace a la mezcla de cuatro ondas, ", Dijo Nordlander." El resultado es un aumento en la intensidad del tercer color de luz que produce el dispositivo ".
El estudiante de posgrado y coautor Yu-Rong Zhen calculó la disposición precisa de 12 discos que se requeriría para producir dos resonancias Fano coherentes en un solo dispositivo. y el estudiante de posgrado y coautor principal Yu Zhang crearon el dispositivo que produjo la mezcla de cuatro ondas, el primer material de este tipo jamás creado.
"El dispositivo creado por Zhang para la mezcla de cuatro ondas es el más eficiente hasta ahora producido para ese propósito, pero el valor de esta investigación va más allá del diseño de este dispositivo en particular, "dijo Halas, quien recientemente fue nombrada miembro de la Academia Nacional de Ciencias por su investigación pionera en nanofotónica. "Los métodos utilizados para crear este dispositivo se pueden aplicar a la producción de una amplia gama de medios no lineales, cada uno con propiedades ópticas personalizadas ".
