Los investigadores de ITMO han descubierto un material ultrasensible a la luz. Es más, pudieron identificar un parámetro que ayudará a encontrar otras estructuras con altos coeficientes de refracción. Este descubrimiento nos acercará un paso más al desarrollo de elementos compactos y eficientes para computadoras ópticas:láseres, papas fritas, y sensores. La investigación se publica en Nanofotónica .

Cada año, Existe una demanda creciente de computadoras más potentes y avanzadas. El problema con los convencionales, aunque, radica en los electrones que juegan un papel importante en ellos. En cualquier estructura con una corriente eléctrica que la atraviese, existe riesgo de sobrecalentamiento, lo que crea limitaciones fundamentales sobre el tamaño mínimo de los elementos computacionales. Una solución a este problema radica en las computadoras ópticas que procesarán la información transmitida por el movimiento de fotones que no se calientan. a diferencia de los electrones.

"Pronto alcanzaremos el límite cuando cualquier modernización adicional de las máquinas basadas en electrones no permitirá el aumento necesario en la eficiencia. Para comenzar a usar computadoras ópticas, tenemos que crear chips y láseres de tamaño comparable. Necesitamos materiales con altos coeficientes de refracción para desarrollar elementos ópticos a nanoescala. El coeficiente de refracción nos dice qué tan bien reacciona una estructura a la luz. Si su interacción con la luz es pobre, entonces el dispositivo funcionará en consecuencia, "explica Anton Shubnic, estudiante de la Facultad de Física e Ingeniería de ITMO.

No existen muchos materiales muy sensibles a la luz. Uno de ellos es el silicio (Si), con un coeficiente de refracción de 4. No se conocen materiales con un coeficiente de refracción más alto en el rango visible. Es más, los investigadores admiten, no está del todo claro, donde uno pueda buscarlos. Después de extensos cálculos matemáticos, Los físicos de la Universidad ITMO pudieron identificar un parámetro que podría apuntar a la rapidez con la que la luz pasaría a través de un semiconductor antes de los experimentos físicos o el modelado de cálculos complejos. Este parámetro depende de las propiedades electrónicas de un material:su banda prohibida y la masa efectiva de un electrón.

"Centramos nuestra atención en los semiconductores. Estos materiales tienen espacios de banda, conocido por la mayoría de ellos y de uso frecuente. En óptica, la banda prohibida determina la longitud de onda máxima a la que un material permanece transparente. El segundo parámetro es la masa efectiva del electrón. Al interactuar con otras partículas en un material, los electrones actuarían como partículas con una masa diferente a la que tienen originalmente, "explica Ivan Iorsh, jefe del Laboratorio Internacional de Fotoprocesos en Sistemas Mesoscópicos de la Universidad ITMO.

La banda prohibida es un rango de energía que los electrones no pueden tener en un material determinado. Si la energía de un fotón es menor que la banda prohibida, entonces la luz puede esparcirse en el material, y si la energía es mayor, entonces la luz será absorbida. En óptica, la banda prohibida determina la longitud de onda máxima a la que un material permanece transparente. Este parámetro es conocido por muchos materiales y se usa activamente. El segundo parámetro es la masa efectiva del electrón. Al interactuar con otras partículas en un material, los electrones actuarían como si tuvieran una masa diferente a la que tenían originalmente. Y esta nueva masa se conoce como masa efectiva.

El modelo teórico demostró que cuanto mayor es la relación entre estos dos parámetros, cuanto más alto debería ser el coeficiente de refracción. Primero, los investigadores probaron su hipótesis en materiales conocidos como el silicio y luego recurrieron a los menos estudiados. Como resultado, descubrieron diselenuro de renio (ReSe ₂ ), un material muy prometedor para elementos ópticos. Resultó que ReSe ₂ tiene un coeficiente de refracción de 6.5 a 7 en el rango visible, que es significativamente más alta que la del silicio.

Ahora, los investigadores planean lanzar una búsqueda global a través de bases de datos abiertas de las propiedades electrónicas de los materiales para encontrar otras sustancias de alto coeficiente de refracción, previamente ignorado por los especialistas en óptica.