Lo que puede verse como la bombilla incandescente más pequeña del mundo brilla en un laboratorio de ingeniería de la Universidad de Rice con la promesa de avances en la detección, fotónica y quizás plataformas informáticas más allá de las limitaciones del silicio.

Gururaj Naik de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y la estudiante de posgrado Chloe Doiron han ensamblado "emisores térmicos selectivos" no convencionales, colecciones de materiales casi a nanoescala que absorben calor y emiten luz.

Su investigación, reportado en Materiales avanzados , one-ups una técnica reciente desarrollada por el laboratorio que utiliza nanotubos de carbono para canalizar el calor de la radiación del infrarrojo medio para mejorar la eficiencia de los sistemas de energía solar.

La nueva estrategia combina varios fenómenos conocidos en una configuración única que también convierte el calor en luz, pero en este caso, el sistema es altamente configurable.

Básicamente, Naik dijo, los investigadores hicieron una fuente de luz incandescente al descomponer un sistema de un elemento, el filamento incandescente de una bombilla, en dos o más subunidades. Mezclar y combinar las subunidades podría darle al sistema una variedad de capacidades.

"El artículo anterior trataba de hacer que las células solares fueran más eficientes, "dijo Naik, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. "Esta vez, el avance está más en la ciencia que en la aplicación. Básicamente, Nuestro objetivo era construir una fuente de luz térmica a nanoescala con propiedades específicas, como emitir a una determinada longitud de onda, o emitiendo estados de luz térmica extremadamente brillantes o nuevos.

"Previamente, la gente pensaba en una fuente de luz como un solo elemento y trataba de sacarle el máximo partido, ", dijo." Pero dividimos la fuente en muchos elementos diminutos. Juntamos los subelementos de tal manera que interactúen entre sí. Un elemento puede dar brillo; el siguiente elemento podría sintonizarse para proporcionar especificidad de longitud de onda. Compartimos la carga entre muchas partes pequeñas.

"La idea es confiar en el comportamiento colectivo, no solo un elemento, "Dijo Naik." Romper el filamento en muchas piezas nos da más grados de libertad para diseñar la funcionalidad ".

El sistema se basa en la física no hermitiana, una forma mecánica cuántica de describir sistemas "abiertos" que disipan energía; en este caso, calor, en lugar de retenerlo. En sus experimentos, Naik y Doiron combinaron dos tipos de osciladores pasivos casi a nanoescala que se acoplan electromagnéticamente cuando se calientan a unos 700 grados Celsius. Cuando el oscilador metálico emitió luz térmica, activó el disco de silicio acoplado para almacenar la luz y liberarla de la manera deseada, Dijo Naik.

La salida del resonador emisor de luz, Doiron dijo, se puede controlar amortiguando el resonador con pérdida o controlando el nivel de acoplamiento a través de un tercer elemento entre los resonadores. "El equilibrio entre el brillo y la selectividad, ", dijo." Los semiconductores le brindan una alta selectividad pero un bajo brillo, mientras que los metales le dan una emisión muy brillante pero de baja selectividad. Con solo acoplar estos elementos, podemos obtener lo mejor de ambos mundos ".

"El impacto científico potencial es que podemos hacer esto no solo con dos elementos, pero muchos mas, "Dijo Naik." La física no cambiaría ".

Señaló que aunque las bombillas incandescentes comerciales han dado paso a los LED por su eficiencia energética, Las lámparas incandescentes siguen siendo el único medio práctico para producir luz infrarroja. "La detección y la detección de infrarrojos dependen de estas fuentes, ", Dijo Naik." Lo que hemos creado es una nueva forma de construir fuentes de luz que sean brillantes, direccional y emitir luz en estados y longitudes de onda específicos, incluyendo infrarrojos ".

Las oportunidades de detección se encuentran en el "punto excepcional, " él dijo.

"Hay una transición de fase óptica debido a cómo hemos acoplado estos dos resonadores, "Dijo Naik." Donde esto sucede se llama el punto excepcional, porque es excepcionalmente sensible a cualquier perturbación a su alrededor. Eso hace que estos dispositivos sean adecuados para sensores. Hay sensores con óptica de microescala, pero no se ha demostrado nada en dispositivos que emplean nanofotónica ".

Las oportunidades también pueden ser excelentes para la informática clásica de siguiente nivel. "La hoja de ruta internacional para la tecnología de semiconductores (ITRS) comprende que la tecnología de semiconductores está llegando a la saturación y están pensando en qué conmutadores de próxima generación reemplazarán a los transistores de silicio, ", Dijo Naik." ITRS ha predicho que será un interruptor óptico, y que utilizará el concepto de simetría paridad-tiempo, como lo hacemos aquí, porque el interruptor tiene que ser unidireccional. Envía luz en la dirección que queremos y ninguno vuelve, como un diodo de luz en lugar de electricidad ".