La invención del primer detector de luz polarizado circular integrado en un chip de silicio abre la puerta al desarrollo de sensores pequeños y portátiles que podrían ampliar el uso de la luz polarizada para la detección de drogas, vigilancia, comunicaciones ópticas y computación cuántica, entre otras aplicaciones potenciales.
El nuevo detector fue desarrollado por un equipo de ingenieros de la Universidad de Vanderbilt dirigido por el Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica Jason Valentine que trabaja con investigadores de la Universidad de Ohio. El trabajo se describe en un artículo publicado el 22 de septiembre en la revista en línea Comunicaciones de la naturaleza .
"Aunque es en gran medida invisible para la visión humana, el estado de polarización de la luz puede proporcionar mucha información valiosa", dijo Valentine. "Sin embargo, la forma tradicional de detectarlo requiere varios elementos ópticos que son bastante voluminosos y difíciles de miniaturizar".. Hemos logrado sortear esta limitación mediante el uso de 'metamateriales', materiales diseñados para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza ".
La luz polarizada se presenta en dos formas básicas: lineal y circular. En un rayo de luz no polarizada, los campos eléctricos de fotones individuales están orientados en direcciones aleatorias. En la luz polarizada linealmente, los campos de todos los fotones se encuentran en el mismo plano. Enluz polarizada circularmente CPL, los campos se encuentran en un plano que gira continuamente 360 grados. Como resultado, hay dos tipos de luz polarizada circularmente, diestros y zurdos.
Los humanos no pueden distinguir fácilmente el estado de polarización de la luz, pero hay una serie de otras especies que poseen "visión p". Estas incluyen la sepia, el camarón mantis, las abejas, las hormigas y los grillos.
La sepia también produce diversos patrones de luz polarizada en su piel, lo que ha llevado a los científicos a plantear la hipótesis de que usan esto como un canal de comunicación secreto que ni sus depredadores ni sus presas pueden detectar. Esto ha llevado a la sugerencia de que la CPL podría usarse paraaumentar la seguridad de las comunicaciones ópticas al incluir canales polarizados que serían invisibles para aquellos que no tienen los detectores adecuados.
A diferencia de la luz no polarizada, la CPL puede detectar la diferencia entre las versiones de moléculas diestras y zurdas. Al igual que las manos y los guantes, la mayoría de las moléculas biológicas vienen en pares de imágenes especulares. Esta propiedad se llama quiralidad. Por ejemplo, las células contienensolo aminoácidos zurdos, pero metabolizan solo azúcares diestros un hecho utilizado por algunos edulcorantes artificiales que usan formas izquierdas de azúcar que saben tan dulces como la versión derecha pero que el cuerpo no puede convertir en grasa.
La quiralidad puede ser dramáticamente importante en las drogas porque su actividad biológica a menudo está relacionada con su capacidad de manejo. Por ejemplo, una forma de dopamina es efectiva en el manejo de la enfermedad de Parkinson, mientras que la otra forma reduce la cantidad de glóbulos blancos.la talidomida alivia las náuseas matutinas mientras que la otra causa defectos de nacimiento. Se estima que la cantidad de medicamentos quirales en uso en la actualidad es de 2.500 y la mayoría de los nuevos medicamentos en desarrollo son quirales.
"Los detectores de CPL de bajo costo podrían integrarse en el proceso de producción de drogas para proporcionar detección en tiempo real de las drogas", dijo Wei Li, estudiante de doctorado de la Universidad de Vanderbilt, quien desempeñó un papel clave en el diseño y prueba del dispositivo. "Los detectores portátiles podrían usarse paradeterminar la quiralidad del fármaco en hospitales y en el campo "
El metamaterial que los investigadores desarrollaron para detectar la luz polarizada consiste en nanocables de plata colocados en un patrón de zigzag submicroscópico en una lámina extremadamente delgada de acrílico fijada a una placa de plata ópticamente gruesa. Este metamaterial está unido al fondo de un siliciooblea con el nanocable hacia arriba.
Los nanocables generan una nube de electrones de flujo libre que producen ondas de densidad de "plasmón" que absorben eficientemente la energía de los fotones que pasan a través de la oblea de silicio. El proceso de absorción crea electrones "calientes" o energéticos que se disparan hacia la oblea dondegenerar una corriente eléctrica detectable.
El patrón en zigzag se puede hacer tanto con la mano derecha como con la izquierda. Cuando es la mano derecha, la superficie absorbe la luz polarizada circularmente derecha y refleja la luz polarizada circularmente izquierda. Cuando es la mano izquierda absorbe la luz polarizada circularmente izquierday refleja la luz polarizada circularmente derecha. Al incluir patrones de superficie tanto diestros como zurdos, el sensor puede diferenciar entre la luz polarizada circularmente derecha e izquierda.
Ha habido dos esfuerzos previos para hacer detectores de luz polarizada de estado sólido. Según Li, uno usó materiales orgánicos quirales que son inestables en el aire, funcionaba solo en un rango estrecho de longitudes de onda y tenía un rango de potencia limitado. Otro estaba basadoen un diseño multicapa más complicado que solo funcionaba a bajas temperaturas.
"Esa es la belleza de los metamateriales: puede diseñarlos para que funcionen de la manera que desee", dijo Li.
La eficiencia de su prototipo es 0.2 por ciento, demasiado baja para ser comercialmente viable. Ahora que han demostrado la viabilidad de su enfoque, sin embargo, tienen varias ideas sobre cómo pueden aumentar la eficiencia a un nivel comparable afotodetectores convencionales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David F. Salisbury. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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