Los científicos han logrado atrapar rayos de luz infrarroja en una red de átomos especialmente diseñados que tiene sólo 42 nanómetros de espesor. Eso es alrededor de 2000 veces más delgado que un cabello humano o una astilla aún más delgada de una hoja de papel estándar.
La impresionante hazaña, liderada por un equipo de la Universidad de Varsovia en Polonia, promete implicaciones significativas para la electrónica basada en la luz, a medida que los componentes tecnológicos continúan volviéndose más pequeños y precisos.
También es un avance notable en el estudio de la luz infrarroja, que tiene longitudes de onda más largas que la luz visible. Ser capaz de atrapar luz infrarroja en espacios diminutos es un desafío que puede superar las limitaciones de la física.
“Los resultados presentados son prometedores para la realización de dispositivos planos y ultracompactos para láser, control de frente de onda y estados topológicos de la luz de orden superior”, escriben los investigadores en su artículo publicado.
La clave del experimento que aquí se lleva a cabo reside en el material utilizado para la rejilla que sujeta la lámpara. Está hecho de átomos en capas de molibdeno y selenio, creando una estructura ultrafina de diseleniuro de molibdeno (MoSe2).
Esa construcción química especial maximiza el índice de refracción de la rejilla, su capacidad para doblarse y ralentizar la luz (lista para ser atrapada).
Si bien se sabe desde hace mucho tiempo que el MoSe2 tiene un alto índice de refracción, fabricarlo de manera confiable en las escalas más pequeñas ha resultado problemático anteriormente.
En este nuevo estudio, los investigadores utilizaron un método de “impresión” atómica conocido como epitaxia de haz molecular (MBE) para crear láminas de MoSe2. Además de hacer crecer las láminas, los investigadores también tallaron rayas microscópicas en ellas, con espacios más pequeños que la longitud de onda de la luz infrarroja (sublongitud de onda), listas para mantener los fotones en su lugar.
Se requirió un truco físico más para que esto funcionara, llamado “estado ligado en el continuo” (BIC). Se trata de un fenómeno en el que, en este caso, las ondas de luz quedan confinadas dentro de un material a pesar de coexistir con otras ondas que se irradian.
Para crear un BIC, los materiales necesarios deben diseñarse y configurarse con precisión, lo que los investigadores lograron modelando cuidadosamente la rejilla de MoSe2 antes de construirla.
“Explotamos el índice de refracción excepcionalmente alto del MoSe2 para diseñar y producir de forma innovadora rejillas de sublongitud de onda basadas en MoSe2 que albergan BIC”, escriben los investigadores.
Existen algunas aplicaciones potenciales en el mundo real de esta física compleja. Los científicos continúan explorando la idea de la computación óptica, donde los fotones de luz reemplazan a los electrones y la electricidad, que podría mejorar significativamente las velocidades de procesamiento y al mismo tiempo reducir el tamaño de los componentes.
Si bien aún quedan muchos obstáculos antes de que la computación óptica pueda volverse viable, demostraciones como la que se detalla aquí muestran que puede ser posible atrapar y manipular la luz con el grado necesario de precisión y en las escalas más pequeñas.
En términos de este material específico y la trampa de luz, se necesita más trabajo antes de que pueda implementarse de manera confiable a escala. El proceso de cultivo de láminas que se le ocurrió al equipo no era perfecto, por lo que el material se pulió con pañuelos de seda para eliminar las inconsistencias.
Sin embargo, los investigadores confían en que su enfoque pueda desarrollarse más e incluso ampliarse a otras áreas.
MoSe2 pertenece a una familia más amplia de materiales súper delgados llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMD), y la esperanza es que se puedan encontrar nuevas formas de producir y manipular TMD de manera más confiable.
Eso allanaría el camino para dispositivos que son incluso más pequeños y rápidos que los que tenemos hoy, construidos en parte atrapando luz en espacios increíblemente pequeños.
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“La facilidad y simplicidad del procesamiento de MoSe2 confirman que otros diseños de estructuras fotónicas, como las metasuperficies 2D basadas en capas TMD, son factibles”, escriben los investigadores.
La investigación ha sido publicada en ACS Nano.