Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, en colaboración con equipos de la Universidad Tecnológica de Łódź, la Universidad Tecnológica de Varsovia y la Academia Polaca de Ciencias, han desarrollado una estructura capaz de bloquear la luz infrarroja en una capa de sólo 40 nanómetros de espesor. Su enfoque se basa en un diseño conocido como rejilla de sublongitud de onda hecha de un material especial llamado diseleniuro de molibdeno (MoSe).2) los resultados se informan en la revista ACS Nano.
Manipular la luz a una escala extremadamente pequeña es clave para el avance de la tecnología moderna. A medida que la electrónica tradicional comienza a alcanzar sus límites, la fotónica ofrece una alternativa, utilizando luz en lugar de electrones para transportar información. Debido a que los fotones se mueven más rápido y no tienen la misma masa que los electrones, los dispositivos basados en la luz pueden ser más rápidos y más pequeños, abriendo la puerta a tecnologías más potentes y compactas.
El desafío de las longitudes de onda de la luz.
La luz se comporta como partícula y como onda, y esta naturaleza ondulatoria introduce una limitación. Cada tipo de luz tiene una longitud de onda, que determina qué tan pequeña puede ser una estructura cuando se controla de manera efectiva. La luz visible tiene una longitud de onda de varios cientos de nanómetros, mientras que la luz infrarroja se extiende hasta un micrómetro o más. Esto plantea una pregunta importante: ¿puede la luz limitarse a estructuras más pequeñas que su propia longitud de onda?
Los equipos de investigación han demostrado que esto es realmente posible. Al diseñar una rejilla de sublongitud de onda, pudieron atrapar la luz infrarroja en una capa de sólo 40 nanómetros de espesor. Esta estructura consta de franjas paralelas muy espaciadas que interactúan con la luz como un prisma. Cuando estas tiras se colocan más cerca que la longitud de onda de la luz, la rejilla puede actuar como un espejo perfecto y confinar la luz en un volumen muy pequeño.
¿Por qué el diseleniuro de molibdeno funciona tan bien?
Las versiones anteriores de este tipo de rejillas, fabricadas con materiales como compuestos de silicio o galio, requerían un espesor de varios cientos de nanómetros para funcionar eficazmente. Al reducir su tamaño pierden su capacidad de limitar la luz. La principal diferencia de este nuevo método es el uso de diseleniuro de molibdeno, que tiene un índice de refracción mucho mayor. En pocas palabras, la luz dentro de este material se ralentiza más que otros. Mientras que la luz se ralentiza aproximadamente 1,5 veces en el vidrio y aproximadamente 3,5 veces en el silicio o el arseniuro de galio, se ralentiza aproximadamente 4,5 veces en el MoSe.2. Este poderoso efecto de desaceleración permite que la estructura se encoja drásticamente y al mismo tiempo atrapa la luz de manera eficiente, lo que da como resultado una capa mil veces más delgada que un cabello humano.
Conversión de luz infrarroja en luz azul
Moisés2 También viene con beneficios adicionales. Al igual que el grafeno, forma estructuras en capas, pero a diferencia del grafeno, es un semiconductor. También exhibe un comportamiento óptico no lineal, incluido un proceso conocido como generación de tercer armónico. En este proceso, tres fotones infrarrojos se combinan en un fotón con una frecuencia más alta, convirtiendo efectivamente la luz infrarroja en luz azul visible. Debido a que la rejilla concentra fuertemente la luz infrarroja, esta conversión se vuelve mucho más eficiente. Los investigadores descubrieron que el efecto era 1.500 veces más fuerte que el de una capa plana del mismo material.
Otro avance importante ha sido la forma de producir el material. En el primero, una fina capa de MoSe2 se hizo mediante exfoliación, un método similar a quitar capas de cristales con cinta adhesiva. Aunque simple, esta técnica es inconsistente y se limita a áreas muy pequeñas, típicamente de unas decenas de micrómetros cuadrados, lo que no es adecuado para dispositivos del mundo real.
Para superar esto, el equipo utilizó epitaxia de haz molecular (MBE), un método bien establecido para hacer crecer capas de semiconductores. Este método les permitió producir MoSe grande y uniforme.2 Unos cuantos centímetros cuadrados de película. A pesar de este gran tamaño, la capa tenía sólo 40 nanómetros de espesor, lo que le daba una relación de aspecto extrema. A modo de comparación, esta capa tiene una relación espesor-tamaño de aproximadamente uno a un millón, mientras que una hoja de papel A4 típica tiene una relación de aproximadamente 1:2000.
Hacia aplicaciones fotónicas prácticas
Estos resultados sugieren que el diseleniuro de molibdeno producido de esta manera podría cambiar significativamente la forma en que se controla la luz en tecnologías futuras. Ya no es necesario que las estructuras sean gruesas para conducir la luz de forma eficaz. En cambio, capas extremadamente finas pueden realizar la misma función y, en algunos casos, mejor. Debido a que los métodos de fabricación son escalables, los caminos hacia aplicaciones del mundo real, como los circuitos integrados fotónicos, son cada vez más realistas.
Financiamiento y apoyo
La investigación fue financiada por el Centro Nacional de Ciencias en el marco de los proyectos OPUS 2020/39/B/ST7/03502 y 2021/41/B/ST3/04183, fondos de la Unión Europea en el marco de la subvención ERC-ADVANCED n.º 101053716, la Fundación Polaca de Ciencias en el marco del proyecto ENG-10204/0204. New Ideas II No. 501-D111-20-2004310 titulado “Rejillas de longitud de onda ultrafinas basadas en dicalcogenuros” en el área de investigación prioritaria de la Universidad de Varsovia – Universidad de Investigación (IDUB) en el marco de la Iniciativa de Excelencia.
