Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) han demostrado experimentalmente por primera vez que los componentes nanofotónicos de cobre pueden funcionar con éxito en dispositivos fotónicos; anteriormente se creía que solo los componentes de oro y plata podían hacerlo. Los componentes de cobre no solo son tan buenos como los componentes basados ​​en metales nobles; también se pueden implementar fácilmente en circuitos integrados utilizando procesos de fabricación estándar de la industria. "Esta es una especie de revolución:el uso de cobre resolverá uno de los principales problemas de la nanofotónica, "dicen los autores del artículo. Los resultados han sido publicados en la revista científica Nano letras .

El descubrimiento, que es revolucionario para la fotónica y las computadoras del futuro, fue realizado por investigadores del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del Centro de Optoelectrónica a Nanoescala del MIPT. Lo han logrado por primera vez, en la producción de componentes nanofotónicos de cobre, cuyas características son tan buenas como las de los componentes de oro. Es interesante notar que los científicos fabricaron los componentes de cobre utilizando un proceso compatible con las tecnologías de fabricación estándar de la industria que se utilizan hoy en día para producir circuitos integrados modernos. Esto significa que, en un futuro muy próximo, los componentes nanofotónicos de cobre formarán la base para el desarrollo de fuentes de luz energéticamente eficientes. sensores ultrasensibles, así como procesadores optoelectrónicos de alto rendimiento con varios miles de núcleos.

El descubrimiento se realizó bajo lo que se conoce como nanofotónica, una rama de investigación que tiene como objetivo, entre otras cosas, para reemplazar los componentes existentes en los dispositivos de procesamiento de datos con componentes más modernos mediante el uso de fotones en lugar de electrones. Sin embargo, mientras que los transistores se pueden reducir en tamaño a unos pocos nanómetros, la difracción de la luz limita las dimensiones mínimas de los componentes fotónicos al tamaño de aproximadamente la longitud de onda de la luz (~ 1 micrómetro). A pesar de la naturaleza fundamental de este llamado límite de difracción, se puede superar mediante el uso de estructuras dieléctricas de metal para crear componentes fotónicos verdaderamente a nanoescala. Primeramente, la mayoría de los metales muestran una permitividad negativa a frecuencias ópticas, y la luz no puede propagarse a través de ellos, penetrando a una profundidad de sólo 25 nanómetros. En segundo lugar, la luz se puede convertir en polaritones de plasmón superficial, ondas superficiales que se propagan a lo largo de la superficie de un metal. Esto hace posible cambiar de la fotónica 3D convencional a la fotónica de plasmón superficial 2D, que se conoce como plasmónicos. Esto ofrece la posibilidad de controlar la luz a una escala de alrededor de 100 nanómetros, es decir., mucho más allá del límite de difracción.

Anteriormente se creía que solo dos metales, el oro y la plata, podían usarse para construir nanoestructuras dieléctricas metálicas nanofotónicas eficientes y también se pensaba que ningún otro metal podría sustituir a estos dos materiales. ya que exhiben una fuerte absorción. Sin embargo, en la práctica, la creación de componentes con oro y plata no es posible porque esos metales, ambos nobles, no entre en reacciones químicas, y, por lo tanto, es extremadamente difícil, costosos y en muchos casos imposibles de usar para crear nanoestructuras, la base de la fotónica moderna.

Investigadores del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del MIPT han encontrado una solución al problema. Basado en una generalización de la teoría para los llamados metales plasmónicos, en 2012, encontraron que el cobre como material óptico no solo puede competir con el oro, también puede ser una mejor alternativa. A diferencia del oro, el cobre se puede estructurar fácilmente mediante grabado en húmedo o en seco. Esto ofrece la posibilidad de fabricar componentes a nanoescala que se integran fácilmente en circuitos integrados electrónicos o fotónicos de silicio. Los investigadores tardaron más de dos años en adquirir el equipo necesario, desarrollar el proceso de fabricación, producir muestras, realizar varias mediciones independientes, y confirmar esta hipótesis experimentalmente. "Como resultado, logramos fabricar chips de cobre con propiedades ópticas que no son de ninguna manera inferiores a los chips a base de oro, "dice el líder de la investigación Dmitry Fedyanin." Además, Logramos hacer esto en un proceso de fabricación compatible con la tecnología CMOS, que es la base de todos los circuitos integrados modernos, incluidos los microprocesadores. Es una especie de revolución en nanofotónica ".

Los investigadores señalan que las propiedades ópticas de las películas delgadas de cobre policristalino están determinadas por su estructura interna. La capacidad de controlar esta estructura y reproducir consistentemente los parámetros requeridos en ciclos tecnológicos es la tarea más difícil. Sin embargo, han logrado solucionar este problema, demostrando que es posible no solo lograr las propiedades requeridas con el cobre, pero también que esto se puede hacer en componentes a nanoescala, que se puede integrar con nanoelectrónica de silicio y nanofotónica de silicio. "Realizamos elipsometría de las películas de cobre y luego confirmamos estos resultados utilizando microscopía óptica de barrido de campo cercano de las nanoestructuras. Esto demuestra que las propiedades del cobre no se ven afectadas durante todo el proceso de fabricación de componentes plasmónicos a nanoescala, "dice Dmitry Fedyanin.

Estos estudios proporcionan una base para el uso práctico de componentes plasmónicos y nanofotónicos de cobre, que en un futuro muy cercano se utilizará para crear LED, nanoláseres, sensores y transductores de alta sensibilidad para dispositivos móviles, y procesadores optoelectrónicos de alto rendimiento con varias decenas de miles de núcleos para tarjetas gráficas, Computadoras personales, y supercomputadoras.