Perforando con el haz de un microscopio electrónico, los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía mecanizaron con precisión diminutos cubos eléctricamente conductores que pueden interactuar con la luz y los organizaron en estructuras modeladas que confinan y transmiten la señal electromagnética de la luz. Esta demostración es un paso hacia chips informáticos potencialmente más rápidos y sensores más perceptivos.
La aparente magia de estas estructuras proviene de la capacidad de sus superficies para soportar ondas colectivas de electrones, llamadas plasmones, con la misma frecuencia que las ondas de luz pero con un confinamiento mucho más estricto. Las estructuras que guían la luz se miden en nanómetros, o milmillonésimas de metro, 100.000 veces más delgadas que un cabello humano.
«Estos sistemas de cubos a nanoescala permiten un confinamiento extremo de la luz en lugares específicos y un control ajustable de su energía», dijo Kevin Roccapriore de ORNL, primer autor de un estudio publicado en la revista. Pequeña. «Es una forma de conectar señales con escalas de longitud muy diferentes».
La hazaña puede resultar crítica para la computación cuántica y óptica. Las computadoras cuánticas codifican información con bits cuánticos, o qubits, determinados por un estado cuántico de una partícula, como su giro. Los qubits pueden almacenar muchos valores en comparación con el valor único almacenado por un bit clásico.
La luz, radiación electromagnética que se propaga por partículas elementales sin masa llamadas fotones, reemplaza a los electrones como mensajeros en las computadoras ópticas. Debido a que los fotones viajan más rápido que los electrones y no generan calor, las computadoras ópticas podrían tener un rendimiento y una eficiencia energética superiores a las computadoras clásicas.
Las tecnologías futuras pueden utilizar lo mejor de ambos mundos.
«La luz es la forma preferida de comunicarse con los qubits, pero no se pueden conectar contactos a ellos directamente», dijo el autor principal Sergei Kalinin de ORNL. «El problema con la luz visible es que sus longitudes de onda van desde alrededor de 380 nanómetros para el violeta hasta alrededor de 700 nanómetros para el rojo. Eso es demasiado grande porque queremos hacer dispositivos de solo unos pocos nanómetros de tamaño. Este trabajo tiene como objetivo crear un marco para llevar la tecnología más allá La ley de Moore y la electrónica clásica. Si tratas de unir ‘ligero’ y ‘pequeño’, ahí es exactamente donde entra en juego la plasmónica».
Y si hay un gran futuro en la plasmónica, el logro liderado por ORNL puede ayudar a superar un desajuste en el tamaño de la señal que amenaza la integración de componentes hechos de diferentes materiales. Esos componentes híbridos deberán «hablar» entre sí en los dispositivos optoelectrónicos de próxima generación. Los plasmónicos pueden cerrar la brecha.
Los fenómenos plasmónicos se observaron por primera vez en los metales, que son conductores debido a sus electrones libres. El equipo de ORNL usó cubos hechos de un semiconductor transparente que se comporta como un metal: óxido de indio dopado con estaño y flúor.
El hecho de que el cubo sea un semiconductor es la clave de su capacidad de sintonización energética. La energía de una onda de luz está relacionada con su frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda. Las longitudes de onda de la luz visible aparecen al ojo humano como colores. Debido a que un semiconductor se puede dopar, es decir, se le puede agregar una pequeña impureza, su longitud de onda se puede desplazar en el espectro.
Los cubos del estudio tenían cada uno 10 nanómetros de ancho, que es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz visible. Sintetizados en la Universidad de Texas en Austin por Shin-Hum Cho y Delia Milliron, los cubos se colocaron en un detergente para evitar la formación de grumos y se pipetearon sobre un sustrato, donde se autoensamblaron en una matriz bidimensional. Una capa de detergente rodeaba cada cubo, separándolos uniformemente. Después de quitar el detergente, las matrices se enviaron a ORNL.
«Que los cubos no se toquen directamente es importante para el comportamiento colectivo», dijo Roccapriore, quien organizó los cubos en diversas estructuras. «Cada cubo individualmente tiene su propio comportamiento de plasmón. Cuando los juntamos en geometrías como un nanocable, se comunican entre sí y producen nuevos efectos que normalmente no se ven en geometrías similares que no están compuestas de elementos individuales».
El estudio se basa en trabajos previos para esculpir estructuras tridimensionales tan pequeñas como un nanómetro con un haz de electrones. «El documento actual demuestra que el efecto plasmónico, así como la estructura, se pueden esculpir», dijo Roccapriore. «Al final del día, estamos interesados en la onda de electrones: ¿dónde está y cuál es su energía? Estamos controlando esas dos cosas».
Kalinin agregó: «Queremos pasar de usar lo que existe en la naturaleza por casualidad a fabricar materiales con las respuestas correctas. Podemos tomar un sistema de cubos, iluminarlo y canalizar la energía en pequeños volúmenes localizados exactamente donde queremos que estén». .»
El proyecto fue natural para Roccapriore, quien realizó una gran cantidad de litografía por haz de electrones en la escuela de posgrado e incluso construyó una máquina en su garaje para fabricar y fresar estructuras impresas en 3D. En ORNL, experimentó con el haz de un microscopio electrónico y ajustó su corriente para cambiar intencionalmente del modo de imagen al modo de modificación. Descubrió que podía quitar pedazos de cubos o cubos enteros de una matriz para hacer objetos estampados a voluntad. También descubrió que, al igual que la adición de elementos químicos permite ajustar las energías cúbicas, también lo hace la eliminación selectiva de elementos químicos. Tal precisión atómica es posible con microscopía electrónica de transmisión de barrido, o STEM.
La clave para caracterizar el comportamiento plasmónico dentro de cubos individuales y entre conjuntos de cubos colectivos fue una técnica llamada espectroscopia de pérdida de energía de electrones. Utiliza un instrumento STEM con un haz de electrones filtrado a energías dentro de un rango estrecho. El haz pierde energía a medida que sus electrones atraviesan la muestra, interactúan con los electrones del material y transfieren un poco de energía al sistema al excitar los plasmones.
La espectroscopia de pérdida de energía de electrones proporciona una visión profunda de la física exótica y los fenómenos cuánticos relacionados con el comportamiento plasmónico», dijo el coautor Andrew Lupini de ORNL, quien ayudó a mapear las energías de los electrones en los cubos y conjuntos de cubos. Lupini es uno de los desarrolladores de STEM con corrección de aberraciones, que hizo posibles los avances pioneros. «La espectroscopia de pérdida de energía de electrones nos permite analizar las respuestas plasmónicas en evolución en tiempo real a medida que se esculpen los cubos. Podemos descubrir las relaciones entre los arreglos de cubos y sus propiedades plasmónicas».
Los científicos planean crear una biblioteca de relaciones entre materiales, estructuras y propiedades plasmónicas. Ese nuevo conocimiento proporcionará la comprensión fundamental necesaria para eventualmente producir en masa estructuras que puedan dirigir el flujo de luz en los nanocircuitos plasmónicos. Según Roccapriore, «la idea es comprender las relaciones mediante el aprendizaje automático y luego automatizar el proceso».
Video: https://youtu.be/AUf7FW633n0
