Dirigir la luz de un lugar a otro es la columna vertebral de nuestro mundo de la información moderno. Los cables de fibra óptica cruzan océanos profundos y vastos continentes, transportando luz que contiene de todo, desde videoclips de YouTube hasta transferencias bancarias en fibras finas como un cabello. Sin embargo, el profesor Jiwoong Park de la Universidad de Chicago quería saber qué pasaría si la fibra se hiciera más delgada y plana, tan delgada que en realidad fuera bidimensional en lugar de tridimensional. ¿Qué pasa con la luz?
Científicos de la Universidad de Chicago han descubierto que un cristal de vidrio de sólo unos pocos átomos de espesor puede capturar y transportar luz, y podría usarse en una variedad de aplicaciones. El hilo fino en el centro del plástico sostenido por el coautor del estudio, Hanyu Hong, es este material. Fuente de la imagen: Jean Lachat
A través de una serie de experimentos innovadores, él y su equipo descubrieron que finas láminas de cristales de vidrio de sólo unos pocos átomos de espesor pueden capturar y transportar luz. No sólo eso, es sorprendentemente eficiente y puede recorrer una distancia relativamente larga: un centímetro, que es una distancia muy larga en el mundo de la informática basada en la luz.
El profesor Jiwoong Park (izquierda) y el científico Hanyu Hong (derecha) en el Laboratorio de Láser, donde confirmaron que el material puede transportar luz, aunque sea más pequeño que la luz misma. Fuente de la imagen: Jean Lachat
La investigación, publicada recientemente en la revista Science, demuestra lo que es esencialmente un circuito fotónico bidimensional y podría abrir el camino a nuevas tecnologías.
"Nos sorprendió completamente lo poderoso que es este cristal ultrafino; no sólo puede contener energía, sino que también puede enviarla mil veces más lejos de lo que nadie ha visto en sistemas similares. La luz atrapada también se comporta como si viajara en un espacio bidimensional", dijo Jiwoong Park, autor principal del estudio y profesor y presidente del Departamento de Química del Instituto James Franck y de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker.
luz guía
El sistema recién inventado es un método para guiar la luz, conocido como guía de ondas, que es de naturaleza bidimensional. En las pruebas, los investigadores descubrieron que podían dirigir la luz a lo largo de la trayectoria del chip utilizando prismas, lentes e interruptores extremadamente pequeños, todos ellos elementos de circuitos e informática.
Los circuitos fotónicos ya existen, pero son mucho más grandes y tridimensionales. Fundamentalmente, en las guías de ondas existentes, las partículas de luz, los llamados fotones, siempre se propagan encerradas dentro de la guía de ondas.
Los científicos explican que en este sistema, el cristal de vidrio es en realidad más delgado que el propio fotón, por lo que parte del fotón sobresale del cristal a medida que viaja.
El profesor Jiwoong Park (izquierda) y el científico Hanyu Hong (derecha) examinan el material en el laboratorio de Park en la Universidad de Chicago. En las pruebas, pueden utilizar pequeños prismas, lentes e interruptores para dirigir la luz a lo largo de la trayectoria del chip: todos ellos elementos de los circuitos y la informática. Crédito de la foto: Jean-Rachat.
Es un poco como construir un tubo para transportar maletas en un aeropuerto en lugar de ponerlas en una cinta transportadora. En la cinta transportadora, las maletas están al aire libre y puedes verlas y ajustarlas fácilmente en el camino. Este enfoque facilita la creación de dispositivos complejos a partir de cristales de vidrio, ya que la luz puede moverse fácilmente a través de lentes o prismas.
Los fotones también pueden experimentar información sobre las condiciones a lo largo del camino. Piénsalo, revisando tu maleta que llega desde afuera para ver si afuera está nevando. Asimismo, los científicos podrían imaginar el uso de estas guías de ondas para crear sensores a nivel microscópico.
"Digamos que tienes una muestra de líquido y quieres detectar la presencia de una molécula específica", explica Park. "Se puede diseñar de modo que la guía de ondas pase a través de la muestra y la presencia de esa molécula cambie el comportamiento de la luz".
Los científicos también están interesados en construir circuitos fotónicos muy delgados que puedan apilarse unos encima de otros para integrar dispositivos más pequeños en la misma área del chip. El cristal de vidrio que utilizaron en estos experimentos fue disulfuro de molibdeno, pero el principio se aplica también a otros materiales.
Si bien los científicos teóricos han predicho que este comportamiento debería existir, lograrlo en el laboratorio ha sido un proceso que ha durado años, dijeron los científicos.
"Este fue un problema extremadamente desafiante pero satisfactorio porque entramos en un campo completamente nuevo. Por lo tanto, todo lo que necesitábamos tenía que ser diseñado nosotros mismos, desde hacer crecer el material hasta medir cómo se mueve la luz", dijo Hanyu Hong, estudiante de posgrado y coautor del artículo.