El grafeno es un material hecho de átomos de carbono de una capa de espesor, dispuestas en una estructura de panal. Se ha utilizado para hacer materiales más fuertes, crear componentes de ultra alta frecuencia para comunicaciones, aumentar el rendimiento de la batería e incluso se utiliza para realizar pruebas COVID-19. Es el material arquetípico bidimensional (2D), pero hay mucho más en los materiales 2D que el grafeno.

Desde que el grafeno se aisló por primera vez en 2004, la investigación se ha expandido a la creación de otros Materiales 2D sin carbono. Ahora hay muchas decenas de estos, y son aclamados por tener un impacto donde el grafeno es menos adecuado, como en transistores novedosos y dispositivos optoelectrónicos de próxima generación, que generan, detectar y controlar la luz.

Nuestro estudio reciente se centró en una nueva forma del material 2D disulfuro de tungsteno (WS2), que es tanto 2D como 3D. WS2 es un semiconductor, lo mismo que el silicio, que se encuentra en casi todos los dispositivos electrónicos. Sin embargo, a diferencia del silicio, WS2 puede existir en una forma 2D estable. Organizamos el material WS2 de una nueva forma para crear una disposición 3D de láminas 2D que llamamos nanomedias.

La nanomedilla WS2 duplica la frecuencia y reduce a la mitad la longitud de onda de la luz láser, cambiando su color a medida que lo hace, con gran eficiencia. Esto significa que podría ser útil en componentes para comunicaciones cuánticas que utilizan luz, donde siempre se pueden detectar intentos de "escuchar a escondidas" los mensajes. La luz es importante en las comunicaciones cuánticas porque las partículas de luz, llamados fotones, se puede utilizar para transportar información. Cuando dos fotones experimentan algo llamado entrelazamiento cuántico, cualquier cosa que le suceda a uno de ellos es inmediatamente observable en el otro, no importa lo lejos que estén.

La comunicación cuántica tiene el potencial de ofrecer una comunicación verdaderamente segura en todo el mundo. Usando la extraña propiedad del entrelazamiento, Es posible diseñar un sistema para que cuando se intercepte una señal, el remitente lo sabe de inmediato.

Muchos de los intentos hasta ahora de crear comunicaciones cuánticas se han realizado utilizando luz láser. Pero para hacer esto, necesitamos una forma eficiente de controlar la luz. Esto podría potencialmente hacerse con materiales 2D.

Confinamiento bidimensional

En materiales 2D, los electrones pueden moverse en dos dimensiones pero su movimiento en la tercera dimensión está restringido. Este confinamiento le da a los materiales 2D propiedades interesantes que significan que son muy prometedores como dispositivos ultradelgados para TI. comunicaciones, sintiendo energía, imágenes y computación cuántica. Para muchas de estas aplicaciones, los materiales 2D, que tienen un solo átomo de espesor, Acuéstese sobre una superficie de apoyo.

Desafortunadamente, sin embargo, la fuerza de estos materiales, que son extremadamente delgados, es también su mayor debilidad. Esto significa que cuando están iluminados, la luz visible puede interactuar con ellos solo en un espesor mínimo y el efecto resultante es débil. Para superar esto, Los investigadores como yo estamos empezando a buscar nuevas formas de empaquetar los materiales 2D en estructuras 3D complejas.

Nanomesh

Mi doctorado estudiante y yo creamos una red tridimensional enredada densamente empaquetada, pilas distribuidas al azar, que contiene láminas 2D rotadas y fusionadas llamadas nanomedias. Sus características únicas son el resultado del proceso de síntesis específico que desarrollamos. Comenzamos cultivando nanotubos unidimensionales (láminas enrolladas) de WS2, como un andamio. Estos están rellenos de forma natural con un material del que podrían crecer hojas de WS2 en las puntas de los nanotubos y en sus lados. giraban uno encima del otro y se desplegaban como un ventilador. Luego, estas hojas se fusionaron entre sí para crear hojas 2D más grandes que se cruzan en 3D para crear la nanomatriz.

Dentro de un semiconductor hay bandas de energía, separados por una brecha de energía. Solo la luz con una energía mayor que la brecha energética puede interactuar con el material de manera útil. Si se introducen nuevos niveles de energía dentro de esta brecha energética, la duplicación de la frecuencia de la luz que atraviesa el material es mucho más eficiente y puede tener lugar en un rango más amplio de longitudes de onda. Esto es exactamente lo que logra nuestra nanomedicina, cambia el panorama energético:las bandas de energía, brechas de energía y niveles de energía dentro de la brecha — del material.

Las mediciones realizadas por mis colegas en el grupo de fotónica demostraron que el material de nanomastilla convierte efectivamente un color láser en otro en una amplia paleta de colores. En comparación con las capas WS2 planas, la nanomatriz es altamente eficiente y responde a una amplia gama de longitudes de onda de luz, al mismo tiempo que es duradero y se puede cultivar en grandes áreas.

Nuestro estudio es una prueba de que el ensamblaje de materiales 2D en una disposición 3D no solo da como resultado materiales 2D más gruesos con los que la luz interactúa con más fuerza, sino que produce materiales con propiedades completamente nuevas.

La nanomola que hicimos es tecnológicamente simple de producir a gran escala, y ofrece interacción con la luz que se puede ajustar. El material podría evolucionar aún más, por ejemplo, incluyendo pequeñas nanopartículas metálicas o depositando un segundo material. Dichos híbridos ofrecerían formas adicionales de cambiar la luz láser que los atraviesa.

Nuestro próximo objetivo es incorporar la nanomatriz en dispositivos que transmitan y modifiquen la luz y que puedan integrarse con la microelectrónica tradicional. Esta es una ruta para desarrollar comunicaciones ópticas cuánticas prácticas.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.