Las arquitecturas microelectrónicas tradicionales, con transistores para controlar las corrientes eléctricas a lo largo de los cables, alimentan todo, desde computadoras avanzadas hasta dispositivos cotidianos.
Pero como los circuitos integrados ofrecen rendimientos decrecientes en términos de velocidad y adaptabilidad, los científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos están desarrollando sistemas basados en luz a escala nanométrica que podrían ofrecer avances en microelectrónica ultrarrápida, detección infrarroja a temperatura ambiente (por ejemplo, visión nocturna) y una amplia variedad de aplicaciones tecnológicas.
"La mayoría de las tecnologías modernas, desde las computadoras hasta aplicaciones como la recolección de energía, se basan en la capacidad de empujar electrones", dijo Jacob Pettine, físico del Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT) de Los Álamos. "Pero la forma en que controlamos este flujo de carga sigue estando muy limitada por los materiales y estructuras convencionales".
Como se describe en un artículo recién publicado en Nature , el equipo de investigación diseñó y fabricó estructuras de oro asimétricas de tamaño nanométrico sobre una capa atómicamente delgada de grafeno. Las estructuras de oro se denominan "nanoantenas" según la forma en que capturan y enfocan las ondas de luz, formando "puntos calientes" ópticos que excitan los electrones dentro del grafeno. Sólo los electrones del grafeno que se encuentran muy cerca de los puntos calientes se excitan, mientras que el resto del grafeno permanece mucho menos excitado.
El equipo de investigación adoptó una forma de lágrima de nanoantenas de oro, donde la ruptura de la simetría de inversión define una direccionalidad a lo largo de la estructura. Los puntos calientes están ubicados solo en las puntas afiladas de las nanoantenas, lo que conduce a una vía en la que los electrones calientes excitados fluyen con direccionalidad neta:una corriente de carga, controlable y sintonizable a escala nanométrica excitando diferentes combinaciones de puntos calientes. P>
"Estas metasuperficies proporcionan una manera fácil de controlar la amplitud, ubicación y dirección de los puntos calientes y la corriente de carga a nanoescala con una velocidad de respuesta más rápida que un picosegundo", dijo Hou-Tong Chen, científico del CINT que supervisa la investigación. "Entonces podrás pensar en funcionalidades más detalladas."
La demostración conceptual en estas metasuperficies optoelectrónicas tiene varias aplicaciones prometedoras. La corriente de carga generada se puede utilizar naturalmente como señal para la fotodetección, particularmente importante en la región infrarroja de longitud de onda larga. El sistema puede servir como fuente de radiación de terahercios, útil en una variedad de aplicaciones, desde comunicaciones inalámbricas de ultra alta velocidad hasta caracterización espectroscópica de materiales. El sistema también podría ofrecer nuevas oportunidades para controlar el nanomagnetismo, en el que las corrientes especializadas pueden diseñarse para campos magnéticos adaptables a nanoescala.
La nueva capacidad también puede resultar importante para el procesamiento de información ultrarrápido, incluida la computación y la microelectrónica. La capacidad de utilizar pulsos láser y metasuperficies para circuitos adaptativos podría permitir el envío de arquitecturas informáticas y electrónicas basadas en transistores más lentas y menos versátiles. A diferencia de los circuitos convencionales, los campos de luz estructurados adaptativos podrían ofrecer posibilidades de diseño completamente nuevas.
"Estos resultados sientan las bases para un diseño versátil y un control óptico de las corrientes a nanoescala", dijo Pettine. "Además de las valiosas aplicaciones en el laboratorio, las metasuperficies vectoriales pueden permitir avances en muchos ámbitos tecnológicos diferentes".
Más información: Jacob Pettine et al, Corrientes vectoriales a nanoescala impulsadas por luz, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07037-4
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos
