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– Cambiar los haces de luz rápidamente es importante en muchas aplicaciones tecnológicas. Los investigadores de ETH ahora han desarrollado un interruptor «electro-opto-mecánico» para haces de luz que es considerablemente más pequeño y más rápido que los modelos actuales. Esto es relevante para aplicaciones tales como automóviles autónomos y tecnologías cuánticas ópticas.
Cortesía ETH de Oliver Morsch: Los autos autónomos se han vuelto mejores y más confiables en los últimos años. Sin embargo, antes de que se les permita conducir de manera completamente autónoma en nuestras carreteras en el futuro cercano, se deben retirar algunos obstáculos. Sobre todo, la necesidad de evaluar los alrededores a la velocidad del rayo y reconocer a las personas y los obstáculos lleva las tecnologías actuales a sus límites. Un equipo de científicos dirigido por Jürg Leuthold en el Instituto de Campos Electromagnéticos en ETH Zurich, junto con colegas en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en los Estados Unidos y en la Universidad Chalmers en Gotemburgo (Suecia), ha desarrollado una novedad, un Interruptor electro-opto-mecánico que podría resolver facilmente ambos problemas en el futuro.
Plasmonics como ingrediente mágico
Para lograr esto, los investigadores utilizaron un ingrediente mágico conocido como «plasmónicos». En esta tecnología, las ondas de luz se comprimen en estructuras que son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, lo que, según las leyes de la óptica, debería ser imposible de hacer. Sin embargo, puede hacerse posible guiando la luz a lo largo del límite entre un metal y un dieléctrico, una sustancia, como el aire o el vidrio, que apenas conduce corriente eléctrica.
Las ondas electromagnéticas de la luz penetran parcialmente en el metal y hacen que los electrones en su interior oscilen, lo que da como resultado una criatura híbrida hecha de una onda de luz y una excitación electrónica: el plasmón. Hace más de diez años, algunos físicos conocidos ya predijeron que los interruptores ópticos basados en plasmones podrían conducir a una revolución en la transmisión y el procesamiento de datos, ya que ambos se pueden hacer mucho más rápido con fotones que con la electrónica tradicional.
Hasta ahora, sin embargo, las aplicaciones comerciales de la vida real han fallado debido a las grandes pérdidas encontradas al transportar fotones a través de dispositivos plasmónicos, y debido a los altos voltajes de conmutación necesarios.
Explotando las fortalezas de la plasmónica
«Ahora hemos resuelto esos problemas explotando las buenas propiedades de los plasmónicos y minimizando los malos», dice el postdoc Christian Haffner, quien dirigió el proyecto y también es el primer autor del artículo publicado recientemente de Science. La característica central del interruptor electro-opto-mecánico desarrollado por Haffner y sus colegas es una membrana de oro que tiene solo 40 nanómetros de grosor y unos pocos micrómetros de ancho, y que está separada de un sustrato de silicio por un disco de óxido de aluminio.
En esta configuración, el tamaño del espacio entre la membrana de oro y el sustrato puede controlarse mediante fuerzas mecánicas. Cuando se aplica un voltaje, la membrana se dobla ligeramente y, como resultado, el espacio se vuelve más pequeño.
El tamaño del espacio, a su vez, decide si una onda de luz simplemente pasa por la membrana de oro o se desvía a su alrededor. Aquí es donde entran los plasmones. De hecho, para un cierto ancho del espacio, solo los plasmones que tienen una longitud de onda particular pueden excitarse en la membrana de oro. Si la luz tiene una longitud de onda diferente, no se acopla a la membrana sino que simplemente se propaga en línea recta dentro de la guía de ondas de silicio.
Pequeñas pérdidas y tensión de conmutación.
«Debido a que solo usamos los plasmones para el corto viaje alrededor de la membrana de conmutación, tenemos pérdidas sustancialmente menores que las de los interruptores electroópticos actuales», explica Haffner. «Además, hicimos la membrana de oro muy pequeña y delgada, para que podamos cambiarla muy rápido y con un voltaje pequeño».
Los científicos ya han demostrado que su nuevo interruptor se puede encender y apagar varios millones de veces por segundo con un voltaje eléctrico de poco más de un voltio. Esto hace que los amplificadores voluminosos y hambrientos de energía que se usan típicamente para interruptores electroópticos sean superfluos. En el futuro, los científicos planean mejorar aún más su cambio al reducir aún más la brecha entre el oro y el silicio. Esto permitirá reducir significativamente las pérdidas de luz y el voltaje de conmutación.
Aplicaciones de automóviles a tecnologías cuánticas.
Las posibles aplicaciones para el nuevo interruptor son abundantes. Por ejemplo, los sistemas LIDAR («Detección de luz y rango») para automóviles autónomos, en los que la intensidad y la dirección de propagación de los haces de luz deben variarse extremadamente rápido, podrían beneficiarse de los interruptores rápidos y compactos.
Además, el reconocimiento de patrones necesario podría ser también para conducir los automóviles.
Reference
Haffner C, Joerg A, Doderer M, Mayor F, Chelladurai D, Fedoryshyn Y, Roman CI, Mazur M, Burla M, Lezec HJ, Aksyuk VA, Leuthold J: Nano–opto-electro-mechanical switches operated at CMOS-level voltages. Science, 15 November 2019, Vol. 366, Issue 6467, pp. 860-864. DOI: 10.1126/science.aay8645
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