Investigadores de todo el mundo están trabajando para desarrollar chips ópticos, donde la luz se puede controlar con nanoestructuras. Estos podrían usarse para circuitos futuros basados ​​en luz (fotones) en lugar de electrones, es decir, fotónica en lugar de electrónica. Pero ha resultado imposible lograr nanoestructuras fotónicas perfectas:son inevitablemente un poco imperfectas. Ahora, los investigadores del Instituto Niels Bohr en colaboración con DTU han descubierto que las nanoestructuras imperfectas pueden ofrecer funcionalidades completamente nuevas. Han demostrado que se pueden utilizar chips ópticos imperfectos para producir 'nanoláseres', que es, en última instancia, una fuente de luz compacta y energéticamente eficiente. Los resultados se publican en la revista científica Nanotecnología de la naturaleza .

Los investigadores están trabajando con membranas de cristal fotónico extremadamente pequeñas:el ancho de la membrana es de 25 micrómetros, y el grosor es de 340 nanómetros (1 nanómetro es una milésima de micrómetro). Los cristales están hechos de material semiconductor arseniuro de galio (GaAs). Se graba un patrón de agujeros en el material a una distancia regular de 380 nanómetros. Los orificios tienen la función de actuar como espejos incorporados que reflejan la luz y, por lo tanto, pueden usarse para controlar la propagación de la luz en el chip óptico. Por tanto, los investigadores han intentado conseguir una estructura regular de orificios lo más perfecta posible para controlar la luz en determinados circuitos ópticos.

Desorden inevitable explotado

Pero en la práctica es imposible evitar pequeñas irregularidades durante la fabricación de los chips ópticos y esto puede suponer un gran problema. ya que puede provocar la pérdida de luz y, por lo tanto, una reducción de la funcionalidad. Los investigadores del Instituto Niels Bohr ahora han convertido el problema de las imperfecciones en una ventaja.

"Resulta que los chips ópticos imperfectos son muy adecuados para capturar la luz. Cuando la luz se envía al chip imperfecto, golpeará los muchos pequeños agujeros irregulares, que reflejan la luz en direcciones aleatorias. Debido a las frecuentes reflexiones, la luz es capturada espontáneamente en la nanoestructura y no puede escapar. Esto permite amplificar la luz, resultando en condiciones sorprendentemente buenas para crear láseres compactos y altamente eficientes, "explica Peter Lodahl, profesor y director del grupo de investigación Quantum Photonic en el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague.

Experimente con la luz incorporada

Los investigadores en Fotónica Cuántica del Instituto Niels Bohr, dirigido por el profesor Peter Lodahl y el profesor asociado Søren Stobbe, diseñó el cristal fotónico y realizó los estudios experimentales en los laboratorios del grupo de investigación.

La fuente de luz está integrada en el propio cristal fotónico y está compuesta por una capa de átomos artificiales que emiten luz (el componente básico de la luz son los fotones). Los fotones se envían a través del cristal, que es transparente como el vidrio y tiene un patrón de pequeños agujeros. Cuando un fotón golpea un agujero, se refleja y se canaliza hacia la llamada guía de ondas, que es una 'pista de fotones' que se puede utilizar para guiar los fotones a través del cristal fotónico. Sin embargo, debido a los agujeros imperfectos, la luz se lanzará hacia adelante y hacia atrás en la guía de ondas del cristal fotónico, intensificándolo y convirtiéndolo en luz láser.

El resultado es una luz láser a escala nanométrica y los investigadores ven un gran potencial en esto.

El sueño de una Internet cuántica

"El hecho de que podamos controlar la luz y producir luz láser en una escala nanométrica se puede utilizar para crear circuitos basados ​​en fotones en lugar de electrones, allanando así el camino para la tecnología de comunicación óptica cuántica en el futuro. Con fuentes láser integradas, podremos integrar componentes ópticos y permite la construcción de funcionalidades complejas. Nuestro último sueño es construir una 'Internet cuántica', donde la información está codificada en fotones individuales, "explica Peter Lodahl y Søren Stobbe, que están entusiasmados con los resultados, que muestran que el inevitable desorden en el chip óptico no es una limitación e incluso puede explotarse en las condiciones adecuadas.