Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado un método para la producción de superficies onduladas con precisión nanométrica. En el futuro, este método podría utilizarse, por ejemplo, para hacer que los componentes ópticos para la transmisión de datos en Internet sean aún más eficientes y compactos.

La importancia de las tecnologías basadas en la luz para nuestra sociedad se demostró una vez más en las últimas semanas. Gracias a internet millones de personas pueden trabajar de forma remota, entrar a las aulas virtuales, o hablar con amigos y familiares. La Internet, Sucesivamente, debe su poder a innumerables pulsos de luz con los que se envían enormes cantidades de datos a todo el mundo a través de fibras ópticas.

Para dirigir y controlar estos pulsos de luz, se emplean varias tecnologías. Uno de los más antiguos e importantes es la rejilla de difracción, que desvía la luz de diferentes colores en direcciones determinadas con precisión. Por décadas, Los científicos han intentado mejorar el diseño y la producción de rejillas de difracción para adaptarlas a las exigentes aplicaciones actuales. En ETH Zurich, un grupo de investigadores dirigido por David Norris, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos, han desarrollado un método completamente nuevo mediante el cual se pueden producir rejillas de difracción más eficientes y precisas. Hicieron esto junto con colegas ahora en la Universidad de Utrecht y la empresa Heidelberg Instruments Nano, que fue fundada como SwissLitho spin-off de ETH. Los investigadores publicaron los resultados en la revista científica Naturaleza .

Interferencia a través de ranuras

Las rejillas de difracción se basan en el principio de interferencia. Cuando una onda de luz golpea una superficie ranurada, se divide en muchas ondas más pequeñas, cada uno emana de un surco individual. Cuando estas ondas salen de la superficie, pueden sumarse o cancelarse entre sí, dependiendo de la dirección en la que viajen y de su longitud de onda (que está relacionada con su color). Esto explica por qué la superficie de un CD, en el que los datos se almacenan en pequeños surcos, genera un arco iris de colores reflejados cuando se ilumina con luz blanca.

Para que una rejilla de difracción funcione correctamente, sus ranuras deben tener una separación similar a la longitud de onda de la luz, que es alrededor de un micrómetro, cien veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. "Tradicionalmente, esas ranuras se graban en la superficie de un material utilizando técnicas de fabricación de la industria microelectrónica, "dice Nolan Lassaline, un doctorado estudiante del grupo de Norris y primer autor del estudio. "Esto significa, sin embargo, que las ranuras de la rejilla son bastante cuadradas. Por otra parte, la física nos dice que deberíamos tener surcos con un patrón suave y ondulado, como ondas en un lago ". Los surcos hechos con métodos tradicionales pueden, por lo tanto, solo sean aproximaciones aproximadas, lo que a su vez significa que la rejilla de difracción dirigirá la luz de manera menos eficiente. Al seguir un enfoque completamente nuevo, Norris y sus colaboradores ahora han descubierto una solución a ese problema.

Patrones de superficie con una sonda caliente

Su enfoque se basa en una tecnología que también tiene su origen en Zúrich. "Nuestro método es un bisnieto del microscopio de túnel de barrido, que fue inventado hace casi cuarenta años por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, que luego ganaría el Premio Nobel por su trabajo, "dice Norris. En un microscopio así, Las superficies del material se escanean con la punta afilada de una sonda de alta resolución. Las imágenes resultantes de dicho escaneo pueden incluso mostrar los átomos individuales de un material.

En cambio, sin embargo, también se puede usar la punta afilada para modelar un material y así producir superficies onduladas. Para hacerlo los investigadores calientan la punta de una sonda de exploración a casi 1000 grados centígrados y la presionan contra una superficie de polímero en ciertos lugares. Esto hace que las moléculas del polímero se rompan y se evaporen en esos lugares, permitiendo que la superficie sea esculpida con precisión. De este modo, los científicos pueden escribir perfiles de superficie casi arbitrarios punto por punto en la capa de polímero con una resolución de unos pocos nanómetros. Finalmente, el patrón se transfiere a un material óptico depositando una capa de plata sobre el polímero. La capa de plata puede desprenderse del polímero y usarse como rejilla de difracción reflectante.

"Esto nos permite producir rejillas de difracción de formas arbitrarias con una precisión de unas pocas distancias atómicas en la capa de plata, "dice Norris. A diferencia de las ranuras tradicionales de forma cuadrada, tales rejillas ya no son aproximaciones, pero prácticamente perfecto y puede moldearse de tal manera que la interferencia de las ondas de luz reflejada cree patrones controlables con precisión.

Variedad de aplicaciones

Estas rejillas perfectas permiten nuevas posibilidades de control de la luz, que tiene una gama de aplicaciones, dice Norris:"La nueva tecnología se puede utilizar, por ejemplo, para construir pequeñas rejillas de difracción en circuitos integrados con los que se pueden enviar señales ópticas para Internet, recibido y enrutado de manera más eficiente ". Lassaline agrega, "Generalmente, podemos usar estas rejillas de difracción para fabricar dispositivos ópticos altamente miniaturizados, como micro-láseres en chip ". Esos dispositivos miniaturizados, él dice, van desde lentes de cámara ultradelgadas hasta hologramas compactos con imágenes más nítidas. Prometen un amplio impacto en tecnologías ópticas como las cámaras de teléfonos inteligentes futuristas, biosensores, o visión autónoma para robots y coches autónomos ".