Un equipo de investigadores del instituto holandés AMOLF, Western University (Canadá), y la Universidad de Texas (Estados Unidos de América) demostraron recientemente el uso del diseño algorítmico para crear un nuevo tipo de estructura nanofotónica. Esta es una buena noticia para los investigadores en computación óptica cuántica y fotovoltaica, porque la estructura mejora en gran medida la directividad de los emisores a nanoescala (en diodos emisores de luz, o fuentes de fotones individuales) y absorbentes (en células solares o fotodetectores). Los investigadores publicaron sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza el 9 de noviembre 2018.

La directividad describe la relación entre la emisión de luz en una dirección particular y el total en todas las demás direcciones. A menudo es útil que los emisores tengan una alta directividad para que todos los fotones creados por una fuente a nanoescala se puedan recolectar en otro lugar. Esto es particularmente valioso en aplicaciones de computación cuántica óptica en las que la recopilación de emisores de fotones individuales resulta desafiante.

Es más, mejorar la directividad también es beneficioso para los dispositivos fotovoltaicos a nanoescala; el acoplamiento del material absorbente activo en las células solares exclusivamente con el sol puede mejorar significativamente el fotovoltaje. Esto se puede entender a través de una analogía:cuando se calienta un material con luz solar, se calentará cuando solo intercambie energía con el sol, y no con el ambiente circundante relativamente más frío.

Directividad a nanoescala

Si bien la directividad es una propiedad muy ventajosa para emisores y absorbentes, aumentarlo para dispositivos a nanoescala puede ser un desafío. En escalas de longitud tan pequeña, la luz se comporta como partícula y onda, complicando el diseño de estructuras con características de sub-longitud de onda hasta el punto de que la intuición del rendimiento de un elemento óptico es extremadamente limitada. El diseño de estructuras utilizando algoritmos aborda esto, permitiendo que las simulaciones ópticas de onda completa dicten completamente la geometría del objeto nanofotónico. El equipo de investigación utilizó un algoritmo evolutivo, para crear múltiples generaciones de estructuras con un rendimiento creciente. Esto dio como resultado que los valores de directividad excedieran los de las estructuras clásicas, como las lentes esféricas, en más de un factor de tres.

Para demostrar la viabilidad de estas estructuras, se fabricó experimentalmente un dispositivo de prueba de concepto. Este dispositivo implicó imprimir una estructura de nanolentes sobre un nanoalambre de arseniuro de galio utilizando una técnica de láser pulsado de femtosegundos. Estos nanocables de GaAs se utilizaron por su relevancia en dispositivos fotovoltaicos, al mismo tiempo que proporciona un sistema de prueba conveniente debido a su alta eficiencia cuántica (número de fotones que salen por fotones que entran).

Si bien las nanolentes mejoraron drásticamente la directividad de los emisores de nanocables, el rendimiento observado fue aún menor de lo que había predicho el diseño computacional. Sin embargo, al incluir un pequeño desplazamiento entre el centro de emisión y el centro de la lente, nuevas simulaciones pudieron reproducir el comportamiento observado. Esta compensación probablemente ocurrió en las muestras experimentales, ya que los nanocables emiten primarios desde una pequeña región cerca de uno de sus extremos (correspondiente a la posición de la unión del diodo interno en el cable). La dificultad para alinearse con esta ubicación emisora ​​resultó ser la mayor limitación en el desempeño observado, seguido por el hecho de que esta emisión era todavía de una región finita (ni un solo punto, como se supone en las simulaciones de diseño). Esto indica que pasar a estructuras de emisor o absorbente más confinadas podría abordar fácilmente estas dos fuentes de rendimiento disminuido, y ofrecen un comportamiento aún más directivo sin necesidad de cambiar la lente o las técnicas de fabricación.