Un chip de Caltech puede redirigir luz en 74 cuatrillonésimas de segundo

La capacidad de la luz para transmitir grandes cantidades de información a alta velocidad ha llevado a los investigadores a explorar tecnologías fotónicas para mejorar las comunicaciones, la computación y la detección. Sin embargo, para que estos sistemas sean efectivos, se requieren métodos precisos para controlar la dirección de la luz de manera extremadamente rápida.

Un equipo de investigadores de Caltech desarrolló un dispositivo que permite redirigir un haz de luz utilizando otro haz en apenas 74 femtosegundos, un tiempo comparable al que necesita la luz para recorrer el ancho de un cabello humano.

"Dirigir la luz con otra luz es un desafío, ya que la luz interactúa débilmente con la materia. Utilizando meta-superficies ópticas (hojas ultradelgadas cuidadosamente nanoingenierizadas), aumentamos la fuerza de interacción, logrando una eficiencia mucho mayor", explicó Harry Atwater, profesor de Física Aplicada y Ciencia de Materiales en Caltech.

Los hallazgos fueron publicados en un artículo en Nature Nanotechnology, donde el autor principal, Claudio Hail, realizó la investigación durante su tiempo como becario postdoctoral en el laboratorio de Atwater. Actualmente, Hail es profesor asistente de ingeniería mecánica en UC Berkeley.

Desafíos de la Modulación de Luz Convencional

Las tecnologías existentes para dirigir o modular la luz dependen de cambios en las propiedades electrónicas de un material, como los paneles de cristal líquido en proyectores y los chips ópticos en sistemas de telecomunicaciones. En estos dispositivos, los electrones son llevados a estados de energía más altos antes de regresar a niveles más bajos, un proceso que consume tiempo y limita la modulación de la luz a escalas de nanosegundos o picosegundos.

El equipo de Atwater adoptó un enfoque diferente, eliminando la necesidad de una señal eléctrica. En su lugar, utilizaron un haz de luz potente, denominado "pump", con un patrón diseñado que alteraba temporalmente el comportamiento óptico de un material. Un segundo haz, más débil, conocido como "probe", atravesó el material, cambiando su dirección según el patrón creado por el haz pump.

El Efecto Kerr Óptico

El sistema se basa en un fenómeno conocido como el efecto Kerr óptico. Cuando un haz intenso de luz atraviesa un material, puede producir un pequeño cambio en el índice de refracción del material, que describe cómo se ralentiza y se desvía la luz al atravesarlo.

Este efecto se debe a cambios en el movimiento de los electrones dentro de sus orbitales, donde tienen una alta probabilidad de encontrarse. Lo crucial es que los electrones no se llevan a estados excitados que duren más tiempo, lo que permite que el cambio aparezca y desaparezca casi tan rápido como el pulso de luz mismo.

A pesar de ello, el efecto Kerr óptico es demasiado débil para redirigir un haz de luz de manera útil en dispositivos prácticos.

Pilares de Silicio Nanoscale Amplifican el Efecto

Para fortalecer la respuesta, los investigadores crearon una meta-superficie a partir de una película delgada de silicio amorfo, cubierta con pilares a nanoescala, cada uno más pequeño que la longitud de onda de la luz del haz pump. Al elegir cuidadosamente el tamaño y la separación de estos pilares, lograron que la luz permaneciera en la meta-superficie más tiempo, circulando dentro de ella en lugar de pasar directamente a través.

Este tiempo adicional de interacción amplificó el pequeño cambio en el índice de refracción del silicio, volviéndolo lo suficientemente fuerte como para redirigir el haz probe. Con este diseño, los investigadores lograron dirigir la luz en ángulos de hasta 13 grados en tan solo 74 femtosegundos, mostrando que la velocidad de modulación estaba limitada por la duración del pulso pump.

Posibilidades de Control de Luz Aún Más Rápido

Los investigadores señalaron que el límite actual de velocidad proviene de los pulsos láser utilizados para operar el sistema, no de las propiedades fundamentales del meta-material. Esto sugiere la posibilidad de que el proceso sea aún más rápido en el futuro. Con un desarrollo adicional, la tecnología podría alcanzar escalas de tiempo relevantes para conceptos fotónicos emergentes como los cristales de tiempo y materiales ópticos sintéticos que varían con el tiempo.

El artículo se titula "Ultrafast, reconfigurable all-optical beam steering and spatial light modulation". Además de Hail y Atwater, Lior Michaeli también es autor del artículo, habiendo realizado el trabajo como becario postdoctoral en Caltech y ahora es profesor asistente de ingeniería eléctrica y computación en la Universidad de Tel Aviv.

Este trabajo recibió financiamiento de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y su iniciativa de investigación multidisciplinaria, la Fundación Nacional Suiza de Ciencia, el programa de becas Fulbright y la Fundación Breakthrough. El Instituto de Nanociencia Kavli en Caltech proporcionó infraestructura y apoyo para el trabajo.