La luz es notoriamente rápida. Su velocidad es crucial para el intercambio rápido de información, pero a medida que la luz atraviesa los materiales, sus posibilidades de interactuar y excitar átomos y moléculas pueden volverse muy pequeñas. Si los científicos pueden frenar las partículas de luz, o fotones,abriría la puerta a una gran cantidad de nuevas aplicaciones tecnológicas.
Ahora, en un artículo publicado el 17 de agosto, en Nanotecnología de la naturaleza , los científicos de Stanford demuestran un nuevo enfoque para ralentizar la luz de manera significativa, como una cámara de eco retiene el sonido y lo dirige a voluntad. Investigadores en el laboratorio de Jennifer Dionne, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, estructura ultradelgadachips de silicio en barras de nanoescala para atrapar la luz resonantemente y luego liberarla o redirigirla más tarde. Estos resonadores de "factor de alta calidad" o "alta Q" podrían conducir a nuevas formas de manipular y usar la luz, incluidas nuevas aplicaciones para la computación cuántica,realidad virtual y realidad aumentada; WiFi basado en luz; e incluso la detección de virus como el SARS-CoV-2.
"Básicamente estamos tratando de atrapar la luz en una pequeña caja que aún permite que la luz entre y se vaya desde muchas direcciones diferentes", dijo el becario postdoctoral Mark Lawrence, quien también es el autor principal del artículo. "Es fácil atraparluz en una caja con muchos lados, pero no tan fácil si los lados son transparentes, como es el caso de muchas aplicaciones basadas en silicio ".
Hacer y fabricar
Antes de que puedan manipular la luz, es necesario fabricar los resonadores, y eso plantea una serie de desafíos.
Un componente central del dispositivo es una capa extremadamente delgada de silicio, que atrapa la luz de manera muy eficiente y tiene baja absorción en el infrarrojo cercano, el espectro de luz que los científicos quieren controlar. El silicio descansa sobre una oblea de material transparentezafiro, en este caso en el que los investigadores dirigen un "bolígrafo" de microscopio electrónico para grabar su patrón de nanoantenas. El patrón debe dibujarse lo más suavemente posible, ya que estas antenas sirven como paredes en la analogía de la cámara de eco, y las imperfeccionesinhibir la capacidad de atrapar la luz.
"Las resonancias de alta calidad requieren la creación de paredes laterales extremadamente suaves que no permitan que la luz se filtre", dijo Dionne, quien también es vicepresidente asociado senior de plataformas de investigación / instalaciones compartidas. "Eso se puede lograr de manera bastante rutinaria".con estructuras de escala de micrones más grandes, pero es muy desafiante con nanoestructuras que dispersan más la luz ".
El diseño de patrones juega un papel clave en la creación de nanoestructuras de alta Q. "En una computadora, puedo dibujar líneas y bloques ultra suaves de cualquier geometría dada, pero la fabricación es limitada", dijo Lawrence. "En última instancia, teníamospara encontrar un diseño que ofreciera un buen rendimiento de captura de luz, pero que estuviera dentro del ámbito de los métodos de fabricación existentes ".
Aplicaciones de alta calidad factor
Modificar el diseño ha dado como resultado lo que Dionne y Lawrence describen como una tecnología de plataforma importante con numerosas aplicaciones prácticas.
Los dispositivos demostraron los llamados factores de calidad de hasta 2500, que es dos órdenes de magnitud o 100 veces más alto que cualquier dispositivo similar que haya logrado anteriormente. Los factores de calidad son una medida que describe el comportamiento de la resonancia, que en este caso es proporcional ala vida útil de la luz. "Al lograr factores de calidad de miles, ya estamos en un buen punto ideal para algunas aplicaciones tecnológicas muy interesantes", dijo Dionne.
Por ejemplo, biodetección. Una sola biomolécula es tan pequeña que es esencialmente invisible. Pero pasar luz sobre una molécula cientos o miles de veces puede aumentar en gran medida la posibilidad de crear un efecto de dispersión detectable.
El laboratorio de Dionne está trabajando en la aplicación de esta técnica para detectar antígenos COVID-19, moléculas que desencadenan una respuesta inmune, y anticuerpos, proteínas producidas por el sistema inmune en respuesta ". Nuestra tecnología daría una lectura óptica como los médicosy los médicos están acostumbrados a ver ", dijo Dionne." Pero tenemos la oportunidad de detectar un solo virus o concentraciones muy bajas de una multitud de anticuerpos debido a las fuertes interacciones luz-molécula ". El diseño de los nanoresonadores de alto Q tambiénpermite que cada antena funcione de forma independiente para detectar diferentes tipos de anticuerpos simultáneamente.
Aunque la pandemia estimuló su interés en la detección viral, Dionne también está entusiasmada con otras aplicaciones, como LIDAR, o Light Detection and Ranging, que es una tecnología de medición de distancia basada en láser que se usa a menudo en vehículos autónomos, que estala nueva tecnología podría contribuir. "Hace unos años no podía haber imaginado los inmensos espacios de aplicación que este trabajo tocaría", dijo Dionne. "Para mí, este proyecto ha reforzado la importancia de la investigación fundamental: se puede"No siempre predice adónde irá la ciencia fundamental o adónde conducirá, pero puede proporcionar soluciones críticas para los desafíos futuros ".
Esta innovación también podría ser útil en la ciencia cuántica. Por ejemplo, dividir fotones para crear fotones entrelazados que permanecen conectados a un nivel cuántico incluso cuando están muy separados normalmente requeriría grandes experimentos ópticos de sobremesa con cristales grandes y caros pulidos con precisión. "Si podemoshaga eso, pero use nuestras nanoestructuras para controlar y dar forma a esa luz enredada, tal vez algún día tengamos un generador de enredos que pueda sostener en la mano ", dijo Lawrence." Con nuestros resultados, estamos emocionados de ver la nueva cienciaeso es alcanzable ahora, pero también tratando de superar los límites de lo que es posible ".
Otros coautores de Stanford incluyen a los estudiantes graduados David Russell Barton III y Jefferson Dixon, el investigador asociado Jung-Hwan Song, el ex científico investigador Jorik van de Groep y Mark Brongersma, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Este trabajo fue financiado por elDOE-EFRC, "Fotónica en límites termodinámicos", así como por AFOSR. Jen también es profesora asociada, por cortesía, de radiología y miembro del Instituto de Neurociencias Wu Tsai y Bio-X.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Lara Streiff. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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