Lo que puede verse como la bombilla incandescente más pequeña del mundo está brillando en un laboratorio de ingeniería de la Universidad de Rice con la promesa de avances en sensores, fotónica y quizás plataformas informáticas más allá de las limitaciones del silicio.
Gururaj Naik de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y la estudiante de posgrado Chloe Doiron han reunido "emisores térmicos selectivos" no convencionales, colecciones de materiales cercanos a la nanoescala que absorben calor y emiten luz.
Su investigación, reportada en Materiales avanzados , destaca una técnica reciente desarrollada por el laboratorio que utiliza nanotubos de carbono para canalizar el calor de la radiación infrarroja media para mejorar la eficiencia de los sistemas de energía solar.
La nueva estrategia combina varios fenómenos conocidos en una configuración única que también convierte el calor en luz, pero en este caso, el sistema es altamente configurable.
Básicamente, dijo Naik, los investigadores crearon una fuente de luz incandescente al descomponer un sistema de un elemento, el filamento brillante en una bombilla, en dos o más subunidades. Mezclar y combinar las subunidades podría darle al sistema una variedad decapacidades.
"El documento anterior trataba sobre hacer las células solares más eficientes", dijo Naik, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. "Esta vez, el avance es más en la ciencia que en la aplicación. Básicamente, nuestro objetivo era construiruna fuente de luz térmica a nanoescala con propiedades específicas, como emitir a una determinada longitud de onda o emitir estados de luz térmica extremadamente brillantes o nuevos.
"Anteriormente, las personas pensaban que una fuente de luz era solo un elemento y trataban de obtener lo mejor de ella", dijo. "Pero dividimos la fuente en muchos elementos pequeños. Ponemos los subelementos juntos de tal maneraque interactúan entre sí. Un elemento puede dar brillo; el siguiente elemento podría ajustarse para proporcionar especificidad de longitud de onda. Compartimos la carga entre muchas partes pequeñas.
"La idea es confiar en el comportamiento colectivo, no solo en un solo elemento", dijo Naik. "Romper el filamento en muchas piezas nos da más grados de libertad para diseñar la funcionalidad".
El sistema se basa en la física no hermitiana, una forma mecánica cuántica para describir los sistemas "abiertos" que disipan energía, en este caso, calor, en lugar de retenerla. En sus experimentos, Naik y Doiron combinaron dos tipos deosciladores pasivos de nanoescala que están acoplados electromagnéticamente cuando se calientan a unos 700 grados centígrados. Cuando el oscilador metálico emite luz térmica, activa el disco de silicio acoplado para almacenar la luz y liberarla de la manera deseada, dijo Naik.
Doiron dijo que la salida del resonador emisor de luz se puede controlar amortiguando el resonador con pérdida o controlando el nivel de acoplamiento a través de un tercer elemento entre los resonadores. "El brillo y la selectividad se compensan", dijo. "Los semiconductores dantiene una alta selectividad pero un brillo bajo, mientras que los metales le dan una emisión muy brillante pero una baja selectividad. Con solo unir estos elementos, podemos obtener lo mejor de ambos mundos ".
"El impacto científico potencial es que podemos hacer esto no solo con dos elementos, sino con muchos más", dijo Naik. "La física no cambiaría".
Señaló que aunque las bombillas incandescentes comerciales han dado paso a los LED por su eficiencia energética, las lámparas incandescentes siguen siendo el único medio práctico para producir luz infrarroja. "La detección y detección infrarroja dependen de estas fuentes", dijo Naik.Hemos creado una nueva forma de construir fuentes de luz que son brillantes, direccionales y emiten luz en estados y longitudes de onda específicas, incluido el infrarrojo ".
Las oportunidades para detectar se encuentran en el "punto excepcional" del sistema.
"Hay una transición de fase óptica debido a cómo hemos acoplado estos dos resonadores", dijo Naik. "Cuando esto sucede se llama punto excepcional, porque es excepcionalmente sensible a cualquier perturbación a su alrededor. Eso hace que estos dispositivos sean adecuados para sensores". Hay sensores con óptica de microescala, pero no se ha mostrado nada en los dispositivos que emplean nanofotónica ".
Las oportunidades también pueden ser excelentes para la informática clásica del siguiente nivel. "La Hoja de ruta internacional para la tecnología de semiconductores ITRS entiende que la tecnología de semiconductores está llegando a la saturación y están pensando en qué interruptores de próxima generación reemplazarán a los transistores de silicio", Naik"ITRS ha predicho que será un interruptor óptico, y que utilizará el concepto de simetría de paridad-tiempo, como lo hacemos aquí, porque el interruptor tiene que ser unidireccional. Envía luz en la dirección que queremos, y ningunovuelve, como un diodo para la luz en lugar de la electricidad "
La National Science Foundation apoyó la investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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