Investigadores de la Universidad de Arkansas han estudiado las características ópticas de un tipo especial de material hecho de una sola capa de átomos de fósforo para el beneficio de detectar e interactuar con la luz infrarroja. que es invisible no solo para el ojo humano sino para muchos otros materiales propuestos para su uso en sistemas optoelectrónicos.
Dichos sistemas se esfuerzan por utilizar la luz junto con los electrones para acelerar el procesamiento y reducir el calentamiento y otros desperdicios de energía en nuestra creciente plétora de dispositivos computacionales.
El grupo de investigadores del Departamento de Física publicó sus hallazgos en un número reciente de Informes científicos , una revista de los editores de Nature, ayudando a avanzar en la comprensión del fósforo negro como un material ópticamente útil. El estudiante de doctorado en física Desalegn Debu fue el primer autor de este trabajo teórico y computacional titulado Sintonización de la resonancia del plasma infrarrojo del nanoribón de fosforeno negro con una interfaz dieléctrica. Otros autores incluyen Stephen Bauman y David French, Estudiantes graduados de la Universidad de Arkansas; y Hugh Churchill y Joseph Herzog, profesores adjuntos del Departamento de Física.
Similar a una salpicadura de guijarros que hace que las olas se muevan a través de la superficie de un estanque, la luz que brilla sobre un material plasmónico hace que los electrones se muevan hacia adelante y hacia atrás en la superficie. Esta ola de electrones, conocido como plasmón, se puede afinar como un instrumento musical para oscilar más fuertemente para ciertas frecuencias (colores) de luz, haciéndolos útiles para aplicaciones que abarcan gran parte del espectro de señales visibles e invisibles. El ajuste es clave para el uso de materiales plasmónicos para aplicaciones específicas, al igual que afinar un instrumento musical es fundamental para crear la nota deseada.
Materiales bidimensionales como el grafeno, una hoja de carbono con un espesor de un solo átomo, han experimentado un gran revuelo en el mundo científico durante la última década. Ofrecen el potencial de reducir el tamaño de varios componentes optoelectrónicos hasta un solo átomo de espesor, además de aprovechar las propiedades físicas únicas. Si bien el grafeno ha sido el "niño del cartel" de los materiales 2-D y aún puede ser prometedor para la mejora de la electrónica, resistencia del material, o tecnología basada en la luz, no es perfecto. El grafeno carece de lo que se llama bandgap, una propiedad definitoria de los semiconductores. Esta limitación del grafeno se está evitando al buscar otros materiales que ofrecen una estructura superior, eléctrico, térmico, o propiedades ópticas. Fósforo negro, que tiene una estructura corrugada de átomos de fósforo con dos direcciones cristalinas diferentes, ofrece beneficios únicos sobre otras opciones previamente estudiadas.
El estudio realizado por Debu y sus colegas investiga los efectos teóricos de las propiedades cambiantes de los materiales en el área que rodea una hoja de fósforo negro. Los resultados demuestran que la longitud de onda de la luz absorbida por el material se puede ajustar cambiando el material circundante. El estudio también avanzó en la comprensión de la naturaleza plasmónica de este material cuando se modela en cintas a nanoescala con diferentes anchos. Combinando los parámetros de ajuste del ancho de nanocintas y los medios circundantes, El fósforo negro puede convertirse en un material muy útil para aplicaciones que involucran luz infrarroja. Un beneficio adicional del fósforo negro es que sus dos direcciones cristalinas diferentes permiten que la luz interactúe de manera diferente con los electrones en la superficie dependiendo de la orientación de las ondas de luz utilizadas en la aplicación.
