dimarts 10

S’aconsegueix confinar la llum en el menor espai possible

Publicat per Obra Social el 10/07/2018 a | 0 comentaris

Post de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)


Imatge: Fabien Vialla / ICFO

Les tecnologies que utilitzem avui dia porten dispositius electrònics que estan fets principalment de transistors. El transistor va ser inventat per Bell Labs a final de la dècada de 1940, i constitueix un dels pilars elementals de processadors i circuits electrònics. El primer transistor que es va construir va començar sent tan gran com 1 cm, però gràcies a l’avenç de la tecnologia, el transistor comercial més petit avui dia ha assolit una mida sorprenent de 14 nanòmetres, és a dir, 1000 vegades més petit que el diàmetre d’un cabell. No obstant això, malgrat que s’han pogut miniaturitzar i posar centenars de milions de transistors en xips extremadament petits i així augmentar exponencialment la velocitat de processament, els enginyers són conscients que el procés de miniaturització d’aquests dispositius ha arribat al límit, principalment a causa de les limitacions plantejades per la física, és a dir, per la mida dels àtoms i electrons.

Per tant, en l’intent de desenvolupar dispositius encara més petits i molt més veloços, sorgeix la pregunta següent: com se’n pot reduir la grandària més enllà de les limitacions físiques abans esmentades? Pretenem violar les lleis físiques per aconseguir-ho? No necessàriament, perquè hi ha un truc per assolir-ho. Som conscients de la necessitat de desenvolupar nous dispositius més enllà d’aquestes limitacions perquè és de gran importància per al futur de les comunicacions i la informàtica, i som conscients que els electrons i els circuits electrònics definitivament no són l’acompanyant perfecte ni adequat per fer-ho perquè se’ls considera massa grans en el món microscòpic. Tanmateix, la llum, d’altra banda, ha demostrat que és la solució correcta.

Els fotons, les partícules que componen la llum, viatgen molt més ràpid que els electrons. Gràcies a ells, s’ha aconseguit incrementar la velocitat a la qual es transmet informació dins d’un xip o fins i tot al voltant del món. Els fotons utilitzen la fibra òptica per transmetre informació a grans distàncies sense experimentar pèrdues de senyal, com pot ser la informació que viatja sota l’oceà d’un continent a un altre. Les tecnologies futures molt possiblement combinin llum i electrons per processar i intercanviar informació en un xip. Tot i així, la fibra òptica té un inconvenient: no es pot utilitzar per confinar la llum en dimensions menors que la meitat de la mida de la longitud d’ona de l’ona de llum, límit conegut amb el nom de «límit de difracció». Per tant, no cap en circuits diminuts ni s’hi pot utilitzar.

Per això, s’han estat estudiant i desenvolupant noves tècniques per confinar la llum en espais molt petits, milions de vegades més petits que els actuals. En aquest intent, els científics han observat que el comportament de la llum podria ser explotat com una ona ja que, a escales tan petites, en lloc de comportar-se com una partícula, la llum es comporta com una ona que es propaga al llarg de la superfície de materials conductors. Però, per la seva naturalesa, aquestes ones perden energia o es dissipen amb força rapidesa i no permeten que la informació recorri grans distàncies. Aleshores, com podem confinar i intensificar els senyals en espais tan petits sense patir pèrdues d’energia encara més considerables?

Ara, un grup de científics de l’ICFO ha aconseguit trobar una solució a aquest problema. Els investigadors David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret i Johann Osmond, liderats per Frank Koppens, professor ICREA a l’ICFO, han pogut assolir el nivell màxim de confinament de la llum. És a dir, han fet una cosa extraordinària: confinar la llum en un espai d’un àtom de gruix, el confinament més petit possible.

Utilitzant materials 2D, van dissenyar un dispositiu tipus «sandvitx» apilant tres materials diferents: grafè, un aïllant i un metall. Van usar grafè perquè aquest material és capaç de guiar la llum en forma de «plasmons», que són oscil·lacions del camp elèctric en un material conductor, com les ones d’aigua que es formen a la superfície d’un estany, que representen l’excitació de les molècules d’aigua. És important saber que aquestes oscil·lacions dels plasmons interactuen fortament amb la llum, i realment poden ajudar a guiar-la a través del material. Com que el grafè és tan prim (té una alçada d’un àtom de gruix), els polsos de llum es poden comprimir en un espai milions de vegades més petit que en materials normals.

Un cop posat en marxa l’experiment, els científics van enviar polsos de llum infraroja a través de les capes de materials i van observar que els plasmons es propagaven entre el metall i el grafè. Com que els plasmons no estan restringits pel límit de difracció, van mostrar que eren excel·lents per guiar la llum a través dels camins i els espais del dispositiu, els quals eren molt més estrets que la longitud d’ona de la llum utilitzada.

Els científics van decidir posar a prova el límit físic de l’experiment intentant aconseguir una configuració espacial el més petita possible. Van decidir reduir, tant com fos possible, la distància entre el metall i el grafè per veure si el confinament vertical de la llum es mantenia. Sorprenentment, van veure que fins i tot quan es reduïa l’altura de la capa aïllant entre el grafè i el metall fins a un àtom de gruix, els plasmons s’excitaven i es propagaven sense perdre la qualitat de senyal. És a dir, els plasmons eren capaços de guiar eficientment la llum a través d’un canal d’un àtom de gruix. També van demostrar que podien controlar aquest «panqueque pla de llum» mitjançant voltatges elèctrics, en encendre’l o apagar-lo, o en ajustar-ne la longitud d’ona. Aquest demostració significa un pas important per unir el món de l’electrònica amb el món nanoòptic.

Els resultats de l’experiment permeten entrar en un nou món dins el camp de la microscòpia, els sensors i els làsers a nanoescala, en el qual es podran desenvolupar dispositius molt petits que funcionin completament amb la llum.

Compartir

4

Categoria:

Archivo: 2018 2018 » Juliol

Post Relacionat:

NewsLetters
L'Àrtic es trenca

CosmoCaixa, on la ciència es converteix en experiència

amb la col.laboració de

Associació Catalana de Comunicació Científica