Científicos atrapan luz en una capa mil veces más delgada que un cabello

Investigadores de la Universidad de Varsovia, en colaboración con equipos de la Universidad de Tecnología de Lódz, la Universidad de Tecnología de Varsovia y la Academia Polaca de Ciencias, crearon una estructura capaz de atrapar luz infrarroja en una capa de solo 40 nanómetros de grosor. Este enfoque se basa en un diseño conocido como grating sublongitudinal, hecho de un material especializado llamado diseleniuro de molibdeno (MoSe₂). Los hallazgos fueron publicados en la revista ACS Nano.

Manipular la luz a escalas extremadamente pequeñas es clave para avanzar en la tecnología moderna. A medida que la electrónica tradicional alcanza sus límites, la fotónica ofrece una alternativa utilizando luz en lugar de electrones para transportar información. Dado que los fotones se mueven más rápido y no tienen masa como los electrones, los dispositivos basados en luz podrían volverse más rápidos y compactos, abriendo la puerta a tecnologías más poderosas.

El desafío de la longitud de onda de la luz

La luz se comporta tanto como partícula como onda, y esta naturaleza ondulatoria introduce una limitación. Cada tipo de luz tiene una longitud de onda que determina cuán pequeña puede ser una estructura mientras se controla efectivamente. La luz visible tiene longitudes de onda de varios cientos de nanómetros, mientras que la luz infrarroja se extiende a un micrómetro o más. Esto plantea una pregunta importante: ¿puede la luz ser confinada en estructuras más pequeñas que su propia longitud de onda?

El equipo de investigación demostró que esto es posible. Al diseñar un grating sublongitudinal, lograron atrapar luz infrarroja dentro de una capa de solo 40 nanómetros de grosor. Esta estructura consiste en tiras paralelas estrechamente espaciadas que interactúan con la luz de manera similar a un prisma. Cuando estas tiras se colocan más cerca que la longitud de onda de la luz, el grating puede actuar como un espejo casi perfecto mientras mantiene la luz dentro de un volumen muy pequeño.

Por qué el diseleniuro de molibdeno funciona tan bien

Versiones anteriores de tales gratings, hechas de materiales como silicio o compuestos de galio, requerían grosores de varios cientos de nanómetros para funcionar efectivamente. Reducir su tamaño hacía que perdieran su capacidad de confinar la luz. La diferencia clave en este nuevo enfoque es el uso de diseleniuro de molibdeno, que tiene un índice de refracción mucho más alto. En términos simples, la luz se ralentiza más dentro de este material que en otros. Mientras que la luz se ralentiza aproximadamente 1.5 veces en vidrio y aproximadamente 3.5 veces en silicio o arseniuro de galio, se ralentiza alrededor de 4.5 veces en MoSe₂. Este fuerte efecto de desaceleración permite que la estructura se reduzca drásticamente mientras sigue atrapando la luz de manera eficiente, resultando en una capa más de mil veces más delgada que un cabello humano.

Transformando luz infrarroja en luz azul

El MoSe₂ también ofrece ventajas 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, incluyendo un proceso conocido como generación de tercer armónico. En este proceso, tres fotones infrarrojos se combinan en un fotón de frecuencia más alta, convirtiendo efectivamente la luz infrarroja en luz azul visible. Debido a que el grating concentra fuertemente la luz infrarroja, esta conversión se vuelve mucho más eficiente. Los investigadores encontraron que el efecto es más de 1,500 veces más fuerte en comparación con una capa plana del mismo material.

Otro gran avance radica en cómo se produjo el material. Anteriormente, las capas delgadas de MoSe₂ se creaban mediante exfoliación, un método similar a pelar capas de un cristal con cinta adhesiva. Aunque simple, esta técnica es inconsistente y está limitada a áreas muy pequeñas, típicamente alrededor de diez micrómetros cuadrados, lo cual no es adecuado para dispositivos del mundo real.

Para superar esto, el equipo utilizó epitaxia de haz molecular (MBE), un método bien establecido para el crecimiento de capas semiconductoras. Este enfoque les permitió producir películas grandes y uniformes de MoSe₂ que abarcan varios pulgadas cuadradas. A pesar de este gran tamaño, la capa mantuvo un grosor de solo 40 nanómetros, dándole una relación de aspecto extrema. Para comparar, la relación de grosor a tamaño de esta capa es de aproximadamente uno a un millón, mientras que una hoja de papel A4 tiene una relación más cercana a 1:2000.

Hacia aplicaciones fotónicas prácticas

Estos resultados sugieren que el diseleniuro de molibdeno producido de esta manera podría cambiar significativamente cómo se controla la luz en tecnologías futuras. Las estructuras ya no necesitan ser gruesas para manipular la luz de manera efectiva. En cambio, capas extremadamente delgadas pueden realizar la misma función, y en algunos casos incluso mejor. Dado que el método de producción es escalable, el camino hacia aplicaciones del mundo real, como circuitos fotónicos integrados, se vuelve cada vez más realista.

Financiamiento y apoyo

La investigación fue financiada por el Centro Nacional de Ciencia bajo los proyectos OPUS 2020/39/B/ST7/03502 y 2021/41/B/ST3/04183, con fondos de la Unión Europea bajo la subvención ERC-AVANZADA No. 101053716, la Fundación para la Ciencia Polaca bajo el proyecto ENG.02.01-IP.05-T004/23, y por la Universidad de Varsovia bajo la Iniciativa de Excelencia - Universidad de Investigación (IDUB) Nuevas Ideas en Áreas de Investigación Prioritarias II No. 501-D111-20-2004310 titulada "Gratings sublongitudinales ultradelgados basados en dicálcogenos".

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