Cuando un avión comienza a moverse más rápido que la velocidad del sonido, crea una onda de choque que produce un conocido "boom" de sonido. Ahora, investigadores del MIT y otros lugares han descubierto un proceso similar en una hoja de grafeno, en el que un flujo de corriente eléctrica puede, bajo ciertas circunstancias, exceder la velocidad de la luz ralentizada y producir una especie de "boom" óptico:un intenso, haz de luz enfocado.

Esta forma completamente nueva de convertir la electricidad en radiación visible es altamente controlable, rápido, y eficiente, los investigadores dicen, y podría dar lugar a una amplia variedad de nuevas aplicaciones. El trabajo se informa hoy en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo de dos profesores del MIT, Marin Soljačić, profesor de física; y John Joannopoulos, el profesor de física Francis Wright Davis, así como el postdoctorado Ido Kaminer, y otros seis en Israel, Croacia, y Singapur.

El nuevo hallazgo partió de una observación intrigante. Los investigadores encontraron que cuando la luz incide en una hoja de grafeno, que es una forma bidimensional del elemento carbono, puede ralentizarse en un factor de unos pocos cientos. Esa dramática desaceleración se dieron cuenta, presentó una coincidencia interesante. La velocidad reducida de los fotones (partículas de luz) que se mueven a través de la hoja de grafeno resultó ser muy cercana a la velocidad de los electrones cuando se movían a través del mismo material.

"El grafeno tiene la capacidad de atrapar la luz, en modos que llamamos plasmones de superficie, "explica Kaminer, quién es el autor principal del artículo. Los plasmones son una especie de partícula virtual que representa las oscilaciones de los electrones en la superficie. La velocidad de estos plasmones a través del grafeno es "unos cientos de veces más lenta que la luz en el espacio libre, " él dice.

Este efecto encajaba con otra de las características excepcionales del grafeno:los electrones lo atraviesan a velocidades muy altas, hasta un millón de metros por segundo, o aproximadamente 1/300 de la velocidad de la luz en el vacío. Eso significaba que las dos velocidades eran lo suficientemente similares como para que pudieran ocurrir interacciones significativas entre los dos tipos de partículas, si el material pudiera ajustarse para que las velocidades coincidan.

Esa combinación de propiedades (ralentizar la luz y permitir que los electrones se muevan muy rápido) es "una de las propiedades inusuales del grafeno, "dice Soljačić. Eso sugirió la posibilidad de usar grafeno para producir el efecto opuesto:producir luz en lugar de atraparla". Nuestro trabajo teórico muestra que esto puede conducir a una nueva forma de generar luz, " él dice.

Específicamente, el explica, "Esta conversión es posible porque la velocidad electrónica puede acercarse a la velocidad de la luz en el grafeno, romper la 'barrera de la luz' ". Así como romper la barrera del sonido genera una onda de sonido, él dice, "En el caso del grafeno, esto conduce a la emisión de una onda de choque de luz, atrapado en dos dimensiones ".

El fenómeno que ha aprovechado el equipo se llama efecto Čerenkov, descrito por primera vez hace 80 años por el físico soviético Pavel Čerenkov. Por lo general, se asocia con fenómenos astronómicos y se utiliza como una forma de detectar partículas cósmicas ultrarrápidas a medida que se precipitan por el universo. y también para detectar partículas resultantes de colisiones de alta energía en aceleradores de partículas, el efecto no se había considerado relevante para la tecnología Earthbound porque solo funciona cuando los objetos se mueven cerca de la velocidad de la luz. Pero la ralentización de la luz dentro de una hoja de grafeno brindó la oportunidad de aprovechar este efecto de una forma práctica, dicen los investigadores.

Hay muchas formas diferentes de convertir la electricidad en luz, desde los filamentos de tungsteno calentados que Thomas Edison perfeccionó hace más de un siglo, a tubos fluorescentes, a los diodos emisores de luz (LED) que alimentan muchas pantallas de visualización y están ganando popularidad para la iluminación del hogar. Pero este nuevo enfoque basado en plasmones podría eventualmente ser parte de un método más eficiente, Mas Compacto, más rápido, y alternativas más ajustables para determinadas aplicaciones, dicen los investigadores.

Quizás lo más significativo, esta es una forma de generar plasmones de manera eficiente y controlable a una escala que sea compatible con la tecnología actual de microchip. Estos sistemas basados ​​en grafeno podrían ser componentes clave en el chip para la creación de nuevos circuitos basados ​​en luz, que se consideran una nueva dirección importante en la evolución de la tecnología informática hacia dispositivos cada vez más pequeños y eficientes.

"Si desea resolver todo tipo de problemas de procesamiento de señales en un chip, quieres tener una señal muy rápida, y también poder trabajar a escalas muy pequeñas, "Dice Kaminer. Los chips de computadora ya han reducido la escala de la electrónica hasta el punto de que la tecnología está chocando con algunos límites físicos fundamentales, así que "necesitas entrar en un régimen diferente de electromagnetismo, ", dice. El uso de luz en lugar de electrones fluidos como base para mover y almacenar datos tiene el potencial de impulsar las velocidades de operación" seis órdenes de magnitud más altas que las que se usan en electrónica, "Kaminer dice, en otras palabras, en principio, hasta un millón de veces más rápido.

Un problema al que se enfrentan los investigadores que intentan desarrollar chips de base óptica, él dice, es que, si bien la electricidad se puede limitar fácilmente a los cables, la luz tiende a extenderse. Dentro de una capa de grafeno sin embargo, en las condiciones adecuadas, las vigas están muy bien confinadas.

"Hay mucha emoción sobre el grafeno, "dice Soljačić, "porque podría integrarse fácilmente con otros dispositivos electrónicos", lo que permite su uso potencial como fuente de luz en chip. Hasta aquí, el trabajo es teórico, él dice, por lo que el siguiente paso será crear versiones funcionales del sistema para probar el concepto. "Tengo confianza en que debería ser factible en uno o dos años, ", dice. El siguiente paso sería optimizar el sistema para lograr la mayor eficiencia.

Este hallazgo "es un concepto verdaderamente innovador que tiene el potencial de ser la clave para resolver el problema de larga data de lograr una conversión de señal eléctrica a óptica altamente eficiente y ultrarrápida a nanoescala, "dice Jorge Bravo-Abad, profesor ayudante de la Universidad Autónoma de Madrid, en España, que no estuvo involucrado en este trabajo.

Además, Bravo-Abad dice:"la nueva instancia de emisión de Čerenkov descubierta por los autores de este trabajo abre perspectivas completamente nuevas para el estudio del efecto Čerenkov en sistemas a nanoescala, sin la necesidad de sofisticadas configuraciones experimentales. Espero ver el impacto significativo y las implicaciones que estos hallazgos seguramente tendrán en la interfaz entre la física y la nanotecnología ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.