(Phys.org) —Se ha inventado un interruptor óptico ultrarrápido y ultrapequeño que podría adelantar el día en que los fotones reemplacen a los electrones en las entrañas de productos de consumo que van desde teléfonos móviles hasta automóviles.

El nuevo dispositivo óptico puede encenderse y apagarse billones de veces por segundo. Consiste en interruptores individuales que tienen solo quinientas centésimas del ancho de un cabello humano (200 nanómetros) de diámetro. Este tamaño es mucho más pequeño que la generación actual de interruptores ópticos y rompe fácilmente una de las principales barreras técnicas para la propagación de dispositivos electrónicos que detectan y controlan la luz:miniaturizar el tamaño de los interruptores ópticos ultrarrápidos.

El nuevo dispositivo fue desarrollado por un equipo de científicos de la Universidad de Vanderbilt, Universidad de Alabama-Birmingham, y el Laboratorio Nacional de Los Alamos y se describe en la edición del 12 de marzo de la revista Nano letras .

El interruptor ultrarrápido está hecho de un material artificial diseñado para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza. En este caso, el "metamaterial" consiste en partículas a nanoescala de dióxido de vanadio (VO ₂ ) - un sólido cristalino que puede alternar rápidamente entre un opaco, fase metálica y transparente, Fase semiconductora - que se deposita sobre un sustrato de vidrio y se recubre con una "nanomatriz" de diminutas nanopartículas de oro.

Los científicos informan que bañar estas nanopartículas doradas con breves pulsos de un láser ultrarrápido genera electrones calientes en la nanomatriz de oro que saltan al dióxido de vanadio y hacen que experimente su cambio de fase en unas pocas billonésimas de segundo.

"Anteriormente habíamos activado esta transición en nanopartículas de dióxido de vanadio directamente con láseres y queríamos ver si podíamos hacerlo también con electrones". "dijo Richard Haglund, Profesor Stevenson de Física en Vanderbilt, quien dirigió el estudio. "No solo funciona, pero la inyección de electrones calientes de las nanopartículas de oro también desencadena la transformación con una quinta a una décima parte de la entrada de energía requerida al hacer brillar el láser directamente sobre el VO desnudo ₂ . "

Tanto la industria como el gobierno están invirtiendo fuertemente en esfuerzos para integrar la óptica y la electrónica, porque generalmente se considera que es el siguiente paso en la evolución de la tecnología de la información y las comunicaciones. Intel, Hewlett-Packard e IBM han estado construyendo chips con una funcionalidad óptica creciente durante los últimos cinco años que operan a velocidades de gigahercios. una milésima de la VO ₂ cambiar.

"Los interruptores de dióxido de vanadio tienen una serie de características que los hacen ideales para aplicaciones optoelectrónicas, ", dijo Haglund. Además de su alta velocidad y su pequeño tamaño, ellos:

• Son completamente compatibles con la tecnología actual de circuitos integrados, tanto los chips basados ​​en silicio como los nuevos materiales "dieléctricos de alto K" que la industria de los semiconductores está desarrollando para continuar el proceso de miniaturización que ha sido un aspecto importante del desarrollo de la tecnología microelectrónica;
• Operar en la región visible e infrarroja cercana del espectro que es óptima para aplicaciones de telecomunicaciones;
• Genere una cantidad de calor por operación que sea lo suficientemente baja como para que los interruptores puedan empaquetarse lo suficientemente apretados para hacer dispositivos prácticos:alrededor de diez billonésimas de caloría (100 femtojulios) por bit.

"Las asombrosas propiedades del dióxido de vanadio se conocen desde hace más de medio siglo. En Vanderbilt, hemos estado estudiando VO ₂ nanopartículas durante los últimos diez años, pero el material ha sido notablemente exitoso en resistir explicaciones teóricas, ", dijo Haglund." Es sólo en los últimos años que los estudios computacionales intensivos han iluminado la física que subyace en su transición de semiconductor a metal ".

Los estudiantes graduados de Vanderbilt Kannatassen Appavoo y Joyeeta Nag fabricaron el metamaterial en Vanderbilt; Appavoo unió fuerzas con la Universidad de Alabama, El estudiante graduado de Birmingham, Nathaniel Brady, y el profesor David Hilton, para llevar a cabo experimentos con láser ultrarrápido con la guía del científico del personal del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Rohit Prasankumar, y la investigadora postdoctoral Minah Seo. Los estudios teóricos y computacionales que ayudaron a desentrañar el complejo mecanismo de la transición de fase a nanoescala fueron llevados a cabo por el estudiante postdoctoral Bin Wang y Sokrates Pantelides, Profesor universitario distinguido de física e ingeniería en Vanderbilt.