Un equipo de investigadores desarrolló un dispositivo semiconductor diminuto capaz de cambiar la frecuencia, es decir el color, de la luz con una eficiencia muy superior a la de los diseños convencionales. El avance abre la puerta a achicar componentes que hoy se usan en telecomunicaciones y en tecnologías cuánticas.
El dispositivo combina capas semiconductoras diseñadas a medida con una metasuperficie de escala nanométrica. Juntas, concentran y controlan la luz dentro del material, produciendo una respuesta óptica no lineal efectiva hasta tres órdenes de magnitud superior a la de una oblea sin estructurar, es decir cerca de mil veces mayor.
¿Qué problema resuelve el diseño?
El trabajo aborda una dificultad de larga data en fotónica. La conversión de frecuencia permite transformar un color de luz en otro, pero los sistemas convencionales suelen depender de materiales como el niobato de litio o el arseniuro de galio, y resultan difíciles de hacer compactos y escalables.
Los investigadores optaron por diseñar el material y la estructura óptica al mismo tiempo. Eso les permitió controlar en conjunto las propiedades electrónicas del semiconductor, los campos electromagnéticos y la geometría del dispositivo, con el fin de mejorar la conversión de luz en longitudes de onda específicas.
Ingeniería de la luz a escala nanométrica
El equipo construyó el semiconductor a partir de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio, ordenando los materiales en capas ultrafinas conocidas como pozos cuánticos múltiples. Esas capas fueron diseñadas para crear niveles de energía electrónica que refuerzan las interacciones entre la luz y la materia.
Luego agregaron a la superficie una matriz de diminutos nanopilares. La metasuperficie resultante moldea y concentra el campo electromagnético dentro del semiconductor, aumentando la intensidad de la luz que interactúa con el material.
Los nanopilares también controlan la simetría de los campos electromagnéticos, un punto clave porque algunas interacciones ópticas pueden anularse entre sí. En conjunto, los pozos cuánticos diseñados y la metasuperficie produjeron una respuesta no lineal tres órdenes de magnitud mayor que la de la oblea sin estructurar. La demostración se hizo en longitudes de onda del infrarrojo cercano, un rango central para las comunicaciones por fibra óptica.
"Este trabajo combina, de manera creativa, la ingeniería cuántica de un material subyacente y el refuerzo de su no linealidad, junto con un diseño optimizado de metasuperficie", dijo Capasso. "La respuesta no lineal global se ve enormemente mejorada y queda utilizable para óptica de espacio libre".
¿Para qué sirve fuera del laboratorio?
El enfoque podría reducir mucho el tamaño de los dispositivos de conversión de frecuencia sin perder eficiencia. Componentes así permitirían generar longitudes de onda difíciles de producir directamente con láseres.
La tecnología también podría ser útil para sistemas cuánticos fotónicos. Los investigadores apuntan a aplicaciones potenciales como fuentes de pares de fotones entrelazados para comunicación y computación cuántica.
Otra ventaja es que la plataforma usa materiales semiconductores compuestos y nanofabricación planar, lo que la hace compatible con los procesos de manufactura ya existentes. Eso podría facilitar su integración en dispositivos fotónicos compactos.
| Institución | Aporte al trabajo |
|---|---|
| Universidad de Texas en Austin | Desarrollo del material de pozos cuánticos múltiples |
| Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences | Diseño de la metasuperficie y de los campos electromagnéticos internos |
| Universidad de California en Irvine | Colaboración en la investigación |
"Esta demostración inicial abre la puerta a mucho más por hacer en la intersección entre la nanofotónica y la ciencia de materiales", señaló Pernille Undrum Fathi, estudiante de doctorado en el laboratorio de Capasso y primera autora del artículo.
El estudio fue publicado en Nature Nanotechnology.
