Los investigadores descubren una nueva forma de convertir la electricidad en luz, usando grafeno

Al reducir la velocidad de la luz a una velocidad más lenta que los electrones que fluyen, los investigadores crean una especie de «auge sónico» óptico.

Cuando un avión comienza a moverse más rápido que la velocidad del sonido, crea una onda de choque que produce un conocido «boom» de sonido. Ahora, los investigadores en el MIT y en otros lugares han descubierto un proceso similar en una lámina de grafeno, en la cual un flujo de corriente eléctrica puede, en ciertas circunstancias, exceder la velocidad de la luz disminuida y producir una especie de «boom» óptico: un Rayo de luz intenso y enfocado.

Esta forma completamente nueva de convertir la electricidad en radiación visible es altamente controlable, rápida y eficiente, según los investigadores, y podría conducir a una amplia variedad de nuevas aplicaciones. El trabajo se publicó hoy en la revista Nature Communications, en un artículo de dos profesores del MIT, Marin Soljačić, profesor de física; y John Joannopoulos, el profesor de física Francis Wright Davis, así como el postdoctorado Ido Kaminer, y otros seis en Israel, Croacia y Singapur.

El nuevo hallazgo comenzó a partir de una observación intrigante. Los investigadores descubrieron que cuando la luz incide sobre una lámina de grafeno, que es una forma bidimensional del elemento carbono, puede reducirse en un factor de unos pocos cientos. Esa dramática desaceleración, se dieron cuenta, presentaba una coincidencia interesante. La velocidad reducida de los fotones (partículas de luz) que se mueven a través de la lámina de grafeno resultó ser muy cercana a la velocidad de los electrones a medida que se movían a través del mismo material.

«El grafeno tiene esta capacidad de atrapar la luz, en los modos que llamamos plasmones de superficie», explica Kaminer, quien es el autor principal del artículo. Los plasmones son un tipo de partícula virtual que representa las oscilaciones de los electrones en la superficie. La velocidad de estos plasmones a través del grafeno es «unos cientos de veces más lenta que la luz en el espacio libre«, dice.

Este efecto encaja con otra de las características excepcionales del grafeno: los electrones pasan a través de él a velocidades muy altas, hasta un millón de metros por segundo, o alrededor de 1/300 de la velocidad de la luz en el vacío. Eso significaba que las dos velocidades eran lo suficientemente similares como para que pudieran producirse interacciones significativas entre los dos tipos de partículas, si el material pudiera ajustarse para que las velocidades coincidieran.

Esa combinación de propiedades, que reduce la velocidad de la luz y permite que los electrones se muevan muy rápido, es «una de las propiedades inusuales del grafeno», dice Soljačić. Eso sugirió la posibilidad de usar grafeno para producir el efecto contrario: producir luz en lugar de atraparla. «Nuestro trabajo teórico muestra que esto puede conducir a una nueva forma de generar luz», dice.

Específicamente, explica: «Esta conversión es posible porque la velocidad electrónica puede acercarse a la velocidad de la luz en el grafeno, rompiendo la ‘barrera de luz'». Al igual que romper la barrera del sonido genera una onda de choque de sonido, dice: «En el caso De grafeno, esto conduce a la emisión de una onda de choque de luz, atrapada en dos dimensiones «.

El fenómeno que el equipo ha aprovechado se llama efecto Čerenkov, descrito por primera vez hace 80 años por el físico soviético Pavel Čerenkov. Generalmente asociado con el fenómeno astronómico y aprovechado como una forma de detectar partículas cósmicas ultrarrápidas a medida que avanzan a través del universo, y también para detectar partículas resultantes de colisiones de alta energía en aceleradores de partículas, el efecto no se consideró relevante para la tecnología de la Tierra porque solo Funciona cuando los objetos se mueven cerca de la velocidad de la luz. Sin embargo, según los investigadores, la disminución de la luz dentro de una lámina de grafeno brindó la oportunidad de aprovechar este efecto en una forma práctica.

Hay muchas formas diferentes de convertir la electricidad en luz: desde los calentados filamentos de tungsteno que Thomas Edison perfeccionó hace más de un siglo, hasta los tubos fluorescentes, y los diodos emisores de luz (LED) que alimentan muchas pantallas y están ganando el favor de los hogares. iluminación. Pero este nuevo enfoque basado en plasmón podría eventualmente ser parte de alternativas más eficientes, más compactas, más rápidas y más adaptables para ciertas aplicaciones, dicen los investigadores.

Quizás lo más importante, esta es una forma de generar plasmas de manera eficiente y controlable en una escala que es compatible con la tecnología de microchip actual. Dichos sistemas basados ​​en grafeno podrían ser potencialmente componentes clave en el chip para la creación de nuevos circuitos basados ​​en la luz, que se consideran una nueva dirección importante en la evolución de la tecnología informática hacia dispositivos cada vez más pequeños y más eficientes.

«Si quiere hacer todo tipo de problemas de procesamiento de señal en un chip, quiere tener una señal muy rápida y también poder trabajar en escalas muy pequeñas«, dice Kaminer. Los chips de computadora ya han reducido la escala de la electrónica hasta el punto de que la tecnología está topando con algunos límites físicos fundamentales, por lo que «usted necesita ir a un régimen diferente de electromagnetismo«, dice. El uso de la luz en lugar de los electrones que fluyen como base para mover y almacenar datos tiene el potencial de impulsar las velocidades de operación «seis órdenes de magnitud más altas que las que se utilizan en la electrónica«, dice Kaminer, es decir, en principio, hasta un millón de veces Más rápido.

Un problema al que se enfrentan los investigadores que intentan desarrollar chips de base óptica, dice, es que si bien la electricidad se puede confinar fácilmente dentro de los cables, la luz tiende a extenderse. Dentro de una capa de grafeno, sin embargo, bajo las condiciones adecuadas, los haces están muy bien confinados.

«Hay mucho entusiasmo por el grafeno», dice Soljačić, «porque se puede integrar fácilmente con otros dispositivos electrónicos», lo que permite su posible uso como fuente de luz en el chip. Hasta ahora, el trabajo es teórico, dice, por lo que el próximo paso será crear versiones de trabajo del sistema para probar el concepto. «Tengo confianza en que debería ser factible dentro de uno o dos años», dice. El siguiente paso sería optimizar el sistema para lograr la mayor eficiencia.

Este hallazgo «es un concepto verdaderamente innovador que tiene el potencial de ser la clave para resolver el problema de larga data de lograr una conversión de señal eléctrica a óptica altamente eficiente y ultrarrápida en la nanoescala», dice Jorge Bravo-Abad, profesor asistente en la Universidad Autónoma de Madrid, en España, que no participó en este trabajo.

Además, dice Bravo-Abad, “la novedosa instancia de emisión de Čerenkov descubierta por los autores de este trabajo abre nuevas perspectivas para el estudio del efecto Čerenkov en sistemas a nanoescala, sin la necesidad de sofisticadas configuraciones experimentales. Espero ver el impacto significativo y las implicaciones que estos hallazgos seguramente tendrán en la interfaz entre la física y la nanotecnología «.

La investigación fue apoyada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. Y la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU., A través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT. El equipo incluyó a los investigadores Yichen Shen, Ognjen Ilic y Josue Lopez en el MIT; Yaniv Katan en Technion, en Haifa, Israel; Hrvoje Buljan en la Universidad de Zagreb en Croacia; y Liang Jie Wong en el Instituto de Tecnología de Manufactura de Singapur.

Via: news.mit.edu