Estructura de red nanométrica para atrapar y liberar ondas de luz

Las ondas de luz pueden transmitir datos con mayor velocidad que las señales eléctricas. Si se guían con la suficiente precisión en el interior de los pequeños circuitos en un chip electrónico, puede dar lugar a grandes avances en aplicaciones de la espectroscopia, detección y diagnóstico por imagen. Además podría acelerar la llegada de nuevas redes de telecomunicaciones ópticas mucho más rápidas, en el que se sería posible transmitir las señales de luz y la ruta de datos sin necesidad de ser convertida en señales eléctricas y viceversa.

Para permitir que las ondas de luz puedan almacenar y transmitir datos con una eficacia óptima, los ingenieros deben aprender a desacelerar o detener las ondas de luz a través de las distintas regiones del espectro.

Qiaoqiang Gan, profesor en la Universidad de Lehigh y su asesor, Filbert J. Bartoli, director del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, hicieron una importante contribución a este esfuerzo el pasado año cuando desarrollaron una estructura de metal en red clasificada capaz de frenar o detener las ondas de luz en terahercios (THz). El logro, dijo Bartoli, “abrió una puerta para el control de las ondas de luz en un chip” que podría ayudar a reducir el tamaño de las estructuras ópticas, lo que permitiría ser integrado en la nanoescala con dispositivos electrónicos.

Recientemente, el equipo de ingenieros que dirige Bartoli registró un segundo gran avance, en el que demostraron que su estructura de red podría ser reducida en tamaño a una dimensión compatible con las ondas de luz en el campo de las telecomunicaciones del espectro.

Las medidas de las ondas THz varia cientos de micras de longitud (1 micrón es una millonésima de un metro), lo que lo convierte en adecuadas para aplicaciones de seguridad. Las longitudes de onda en el rango del espectro de las telecomunicaciones miden desde 1330 hasta 1550 nanómetros (1 nm es una milmillonésima de un metro), convirtiéndose en una opción fantástica para las comunicaciones ópticas.

Los ingenieros abordaron en este proyecto de investigación un fenómeno llamado “pérdida en metales”, en la que el material de metal de un chip, además de simplemente propagar la luz, también la absorbe y lo disipa como calor. Para utilizar las ondas de la luz atrapadas es necesario ponerlas en libertad a partir de una estructura de red, para ello los ingenieros llevaron a cabo esta idea cubriendo la estructura con materiales dieléctricos. A partir de la temperatura de ajuste de los materiales dieléctricos, los investigadores fueron capaces de cambiar las propiedades ópticas de la estructura de red del metal, lo que esto a su vez, permitió a las ondas de luz atrapadas fueran puestas en libertad.

Los investigadores de la Universidad de Lehigh describen su prototipo como una “estructura metálica de red con rango de profundidad”, cuya dispersión de las curvas y las frecuencias de corte son diferentes en los distintos lugares donde se lleve a cabo. En apariencia, se asemeja a la rejilla de los tubos de un órgano que se encuentran dispuestos uno al lado del otro y la disminución gradual en la longitud de un extremo en conjunto a los demás. El grado de calificación en la red se puede ajustar alterando la temperatura y la modificación de las características físicas de la superficie de la estructura.

La mayoría de los trabajos iniciales de este proyecto han sido teóricas, utilizando ecuaciones matemáticas y la simulación por ordenador. El equipo de ingenieros de Bartoli ahora se ha trasladado a la siguiente fase, que incluye la fabricación y caracterización de las estructuras.

Según el profesor Qiaoqiang Gan: “Será difícil lograr un grado suficiente de profundidad de la red para que se encuentre en un rango mínimo de al menos 50 nanómetros sobre un sustrato de 200 nm. Pero para conseguirlo, estamos usando un haz de iones especialmente diseñada en nuestras instalaciones en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la universidad. Ya hemos fabricado diversas estructuras y ahora tratamos de caracterizar la graduación de la red con la exploración en el campo de la microscopía óptica con la colaboración del profesor Volkmar Dierolf del laboratorio en el Departamento de Física”.

La revista británica New Scientist del mes de febrero comentan los resultados obtenidos por el equipo de Bartoli, en el que el grupo de investigadores transmitían su idea de que en un futuro próxima podrán ser capaces de ralentizar la luz el tiempo suficiente como para almacenar un “arco iris” o colores, un anticipo que revolucionaría la informática y las redes de telecomunicaciones. La luz ha sido ya almacenada unos segundos en la estructura de red desarrollada, según apuntaba el artículo de la revista New Scientist. Pero según el físico Ortwin Hess de la Universidad de Surrey en el Reino Unido, “esto es un paso muy importante para infinidad de aplicaciones que el hombre está a punto de conocer”.

Más información: Lehigh University