La física abre los vidrios de calcogenuro a aplicaciones en longitudes de onda visibles y ultravioleta.

Una metasuperficie hecha de nanocables de trisulfuro de arsénico (amarillo) transmite una frecuencia de infrarrojo cercano entrante (rojo), así como su frecuencia ultravioleta de tercer armónico (violeta), que normalmente sería absorbida por el material. Crédito: Universidad de Duke
Una metasuperficie hecha de nanocables de trisulfuro de arsénico (amarillo) transmite una frecuencia de infrarrojo cercano entrante (rojo), así como su frecuencia ultravioleta de tercer armónico (violeta), que normalmente sería absorbida por el material. Crédito: Universidad de Duke
  • Categoría de la entrada:Ciencia
  • Última modificación de la entrada:15 diciembre, 2021
  • Tiempo de lectura:7 minutos de lectura

Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han descubierto que cambiar la forma física de una clase de materiales comúnmente utilizados en electrónica y fotónica de infrarrojo cercano y medio (vidrios de calcogenuro) puede extender su uso a las partes visible y ultravioleta del espectro electromagnético. 

Las gafas de calcogenuro, que ya se utilizan comercialmente en detectores, lentes y fibras ópticas, pueden encontrar ahora un hogar en aplicaciones tales como comunicaciones subacuáticas, monitoreo ambiental e imágenes biológicas.

Los resultados se publicaron en la revista Nature Communications .

Como su nombre lo indica, los vidrios de calcogenuro contienen uno o más calcógenos, elementos químicos como azufre, selenio y telurio. 

Pero hay un miembro de la familia que dejan fuera: el oxígeno. 

Sus propiedades materiales los convierten en una opción sólida para aplicaciones electrónicas avanzadas como conmutación óptica, escritura láser directa ultrapequeña (piense en CD diminutos regrabables) y huellas dactilares moleculares. 

Pero debido a que absorben fuertemente las longitudes de onda de la luz en las partes visible y ultravioleta del espectro electromagnético, los vidrios de calcogenuro se han limitado durante mucho tiempo al infrarrojo cercano y medio con respecto a sus aplicaciones en fotónica.

“Los calcogenuros se han utilizado en el infrarrojo cercano y medio durante mucho tiempo, pero siempre han tenido esta limitación fundamental de tener pérdidas en las longitudes de onda visible y ultravioleta”, dijo Natalia Litchinitser, profesora de ingeniería eléctrica e informática en Duke. “Pero una investigación reciente sobre cómo las nanoestructuras afectan la forma en que estos materiales responden a la luz indicó que podría haber una forma de evitar estas limitaciones”.

Descubrimos que iluminar una metasuperficie hecha de nanocables cuidadosamente diseñados con luz infrarroja cercana resultó en la generación y transmisión tanto de la frecuencia original como de su tercer armónico, lo cual fue muy inesperado porque el tercer armónico cae en el rango donde el material debería estar absorbiendo eso.

Natalia litchinitser

En una investigación teórica reciente sobre las propiedades del arseniuro de galio (GaAs), un semiconductor comúnmente utilizado en electrónica, los colaboradores de Litchinitser, Michael Scalora del Centro de Misiles y Aviación CCDC del Ejército de EE. UU. y Maria Vincenti de la Universidad de Brescia predijeron que los GaAs nanoestructurados podrían responden a la luz de manera diferente a sus contrapartes a granel o incluso de película delgada. 

Debido a la forma en que los pulsos ópticos de alta intensidad interactúan con el material nanoestructurado, los cables muy delgados del material alineados uno al lado del otro podrían crear frecuencias armónicas de orden superior (longitudes de onda más cortas) que podrían viajar a través de ellos.

Imagínese una cuerda de guitarra que está afinada para resonar a 256 Hertz, también conocida como Do medio. Los investigadores proponían que si se fabricaba correctamente, esta cuerda cuando se pulsaba también podría vibrar a frecuencias una o dos octavas más altas en pequeñas cantidades.

Litchinitser y su estudiante de doctorado Jiannan Gao decidieron ver si lo mismo podía ser cierto para las gafas de calcogenuro. 

Para probar la teoría, los colegas del Laboratorio de Investigación Naval depositaron una película de trisulfuro de arsénico de 300 nanómetros de espesor sobre un sustrato de vidrio que luego fue nanoestructurado mediante litografía por haz de electrones y grabado con iones reactivos para producir nanocables de trisulfuro de arsénico de 430 nanómetros de ancho y 625 nanómetros aparte.

A pesar de que el trisulfuro de arsénico absorbe completamente la luz por encima de los 600 THz, aproximadamente el color del cian, los investigadores descubrieron que sus nanocables transmitían señales diminutas a 846 THz, que está directamente en el espectro ultravioleta.

“Descubrimos que iluminar una metasuperficie hecha de nanocables cuidadosamente diseñados con luz infrarroja cercana resultó en la generación y transmisión tanto de la frecuencia original como de su tercer armónico, lo cual fue muy inesperado porque el tercer armónico cae en el rango donde el material debería estar absorbiendo “, dijo Litchinitser.

Este resultado contrario a la intuición se debe al efecto de la generación del tercer armónico no lineal y su “bloqueo de fase” con la frecuencia original. “El pulso inicial atrapa el tercer armónico y en cierto modo engaña al material para que los deje pasar sin ninguna absorción”, dijo Litchinitser.

En el futuro, Litchinitser y sus colegas están trabajando para ver si pueden diseñar diferentes formas de calcogenuros que puedan transportar estas señales armónicas incluso mejor que las nanobandas iniciales. 

Por ejemplo, creen que los pares de bloques largos, delgados, similares a Lego, espaciados a ciertas distancias, podrían crear una señal más fuerte en las frecuencias del tercer y segundo armónico. 

También predicen que apilar varias capas de estas metasuperficies una encima de la otra podría mejorar el efecto.

Si tiene éxito, el enfoque podría desbloquear una amplia gama de aplicaciones visibles y ultravioleta para material electrónico popular y materiales fotónicos de infrarrojo medio que durante mucho tiempo han estado excluidos de estas frecuencias más altas.

Referencia: “Near-Infrared to Ultra-Violet Frequency Conversion in Chalcogenide Metasurfaces” by Jiannan Gao, Maria Antonietta Vincenti, Jesse Frantz, Anthony Clabeau, Xingdu Qiao, Liang Feng, Michael Scalora and Natalia M. Litchinitser, 5 October 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-26094-1

Deja un comentario