Los físicos de la Universidad de Texas en Dallas y sus colaboradores en la Universidad de Yale han demostrado un sensor cuántico atómicamente delgado e inteligente que puede detectar simultáneamente todas las propiedades fundamentales de una onda de luz entrante.

La investigación, publicada el 13 de abril en la revista Nature , demuestra un nuevo concepto basado en la geometría cuántica que podría encontrar uso en el cuidado de la salud, la exploración del espacio profundo y aplicaciones de teledetección.

"Estamos entusiasmados con este trabajo porque, por lo general, cuando desea caracterizar una onda de luz, debe usar diferentes instrumentos para recopilar información, como la intensidad, la longitud de onda y el estado de polarización de la luz. Esos instrumentos son voluminosos y pueden ocupar un área significativa en una mesa óptica", dijo el Dr. Fan Zhang, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas.

"Ahora tenemos un solo dispositivo, solo un chip pequeño y delgado, que puede determinar todas estas propiedades simultáneamente en muy poco tiempo", dijo.

El dispositivo explota las propiedades físicas únicas de una nueva familia de materiales bidimensionales llamados metamateriales moiré. Zhang, un físico teórico, publicó un artículo de revisión sobre estos materiales el 2 de febrero en Nature .

Los materiales 2D tienen estructuras periódicas y son atómicamente delgados. Si se superponen dos capas de dicho material con un pequeño giro rotacional, se puede formar un patrón muaré con una periodicidad emergente de varios órdenes de magnitud. El metamaterial muaré resultante produce propiedades electrónicas que difieren significativamente de las exhibidas por una sola capa sola o por dos capas alineadas naturalmente.

El dispositivo de detección que Zhang y sus colegas eligieron para demostrar su nueva idea incorpora dos capas de grafeno bicapa natural relativamente retorcido, para un total de cuatro capas atómicas.

"El metamaterial muaré exhibe lo que se llama un efecto fotovoltaico masivo, lo cual es inusual", dijo Patrick Cheung, estudiante de doctorado en física en UT Dallas y coautor principal del estudio. "Normalmente, tiene que aplicar una polarización de voltaje para producir cualquier corriente en un material. Pero aquí, no hay polarización en absoluto; simplemente hacemos brillar una luz sobre el metamaterial muaré, y la luz genera una corriente a través de este efecto fotovoltaico masivo. Tanto la magnitud como la fase del fotovoltaje dependen en gran medida de la intensidad de la luz, la longitud de onda y el estado de polarización".

Al ajustar el metamaterial muaré, el fotovoltaje generado por una onda de luz entrante dada crea un mapa 2D que es exclusivo de esa onda, como una huella dactilar, y del cual se pueden inferir las propiedades de la onda, aunque hacerlo es un desafío, dijo Zhang.

Los investigadores del laboratorio del Dr. Fengnian Xia en la Universidad de Yale, que construyeron y probaron el dispositivo, colocaron dos placas de metal, o puertas, encima y debajo del metamaterial muaré. Las dos puertas permitieron a los investigadores ajustar las propiedades geométricas cuánticas del material para codificar las propiedades de las ondas de luz infrarroja en "huellas dactilares".

Luego, el equipo usó una red neuronal convolucional, un algoritmo de inteligencia artificial que se usa ampliamente para el reconocimiento de imágenes, para decodificar las huellas dactilares.

"Comenzamos con luz cuya intensidad, longitud de onda y polarización conocemos, la hacemos pasar a través del dispositivo y la sintonizamos de diferentes maneras para generar diferentes huellas dactilares", dijo Cheung. "Después de entrenar la red neuronal con un conjunto de datos de aproximadamente 10 000 ejemplos, la red puede reconocer los patrones asociados con estas huellas dactilares. Una vez que aprende lo suficiente, puede caracterizar una luz desconocida".

Cheung realizó cálculos teóricos y análisis utilizando los recursos del Texas Advanced Computing Center, una instalación de supercomputadoras en el campus de UT Austin.

"Patrick ha sido bueno en los cálculos analíticos con lápiz y papel, ese es mi estilo, pero ahora se ha convertido en un experto en el uso de una supercomputadora, que se requiere para este trabajo", dijo Zhang. "Por un lado, nuestro trabajo como investigadores es descubrir nueva ciencia. Por otro lado, los asesores queremos ayudar a nuestros estudiantes a descubrir en qué son mejores. Estoy muy feliz de que Patrick y yo descubrimos ambos". + Explora más

Un sensor cuántico inteligente que detecta simultáneamente la intensidad, la polarización y la longitud de onda de la luz