Adiós al Wi-Fi?, un material de tres átomos que controla la luz abre camino al Li-Fi

Gracias un nuevo avance que utiliza un material especializado de solo tres átomos de espesor, científicos de Caltech han podido controlar la luz con mayor precisión que nunca

La mayoría de nosotros controlamos la luz todo el tiempo sin ni siquiera pensar en ella, generalmente de formas mundanas: nos ponemos un par de gafas de sol y bloqueador solar, y cerramos, o abrimos, las persianas de las ventanas.

Pero el control de la luz también puede presentarse en formas de alta tecnología. La pantalla de la computadora, tableta o teléfono en el que está leyendo esto es un ejemplo. Otro son las telecomunicaciones, que controlan la luz para crear señales que transportan datos a lo largo de cables de fibra óptica.

Logran mapear en 3D materiales de unos pocos átomos de espesor

Los científicos también utilizan métodos de alta tecnología para controlar la luz en el laboratorio y ahora, gracias a un nuevo avance que utiliza un material especializado de solo tres átomos de espesor, pueden controlar la luz con mayor precisión que nunca.

El trabajo se llevó a cabo en el laboratorio de Harry Atwater , el presidente de liderazgo de Otis Booth de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, el profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de Materiales y director de Liquid Sunlight Alliance (LiSA). Aparece en un artículo publicado en la edición del 22 de octubre de Science .

Para comprender el trabajo, es útil recordar primero que la luz existe como onda y que tiene una propiedad conocida como polarización, que describe la dirección en la que vibran las ondas. Imagínese estar en un bote flotando en el océano: las olas del océano tienen una polarización vertical, lo que significa que cuando las olas pasan por debajo del bote, suben y bajan. Las ondas de luz se comportan de la misma manera, excepto que estas ondas se pueden polarizar en cualquier ángulo. Si un barco pudiera montar ondas de luz, podría balancearse de un lado a otro, o en diagonal, o incluso en forma de espiral.

La polarización se refiere a la orientación en la que vibra una onda (incluida la luz). 
El ángulo de polarización se puede cambiar.Crédito: Smouss / Wikimedia Commons

La polarización puede ser útil porque permite controlar la luz de formas específicas. Por ejemplo, las lentes de sus gafas de sol bloquean el deslumbramiento (la luz a menudo se polariza cuando se refleja en una superficie, como la ventana de un automóvil). La pantalla de una calculadora de escritorio crea números legibles polarizando la luz y bloqueándola en áreas. Aquellas áreas donde la luz polarizada está bloqueada aparecen oscuras, mientras que las áreas donde la luz no está bloqueada aparecen claras.

La pantalla de una calculadora que muestra la suma de algunas fracciones.
La pantalla de una calculadora que utiliza las propiedades de la luz polarizada para crear áreas claras y oscuras que se pueden leer como números y otras cifras.Crédito: David R. Tribble / Wikimedia Commons

En el artículo, Atwater y sus coautores describen cómo utilizaron tres capas de átomos de fósforo para crear un material para polarizar la luz que es sintonizable, preciso y extremadamente delgado.

El material está construido a partir del llamado fósforo negro, que es similar en muchos aspectos al grafito o grafeno, formas de carbono que consisten en capas de un solo átomo de espesor. Pero mientras que las capas de grafeno son perfectamente planas, las capas de fósforo negro tienen nervaduras, como la textura de un par de pantalones de pana o cartón corrugado. (El fósforo también viene en formas rojas, blancas y violetas, distintas debido a la disposición de los átomos dentro de él).

Esa estructura cristalina, dice Atwater, hace que el fósforo negro tenga propiedades ópticas significativamente anisotrópicas. «La anisotropía significa que depende del ángulo», explica. «En un material como el grafeno, la luz se absorbe y se refleja por igual sin importar el ángulo en el que esté polarizada. El fósforo negro es muy diferente en el sentido de que si la polarización de la luz se alinea a lo largo de las corrugaciones, tiene una respuesta muy diferente a la de está alineado perpendicularmente a las corrugaciones «.

Cuando la luz polarizada se orienta a través de las corrugaciones en fósforo negro, interactúa con el material de manera diferente que cuando se orienta a lo largo de las corrugaciones, algo así como la forma en que es más fácil frotar la mano a lo largo de las costillas en pana que frotarla. a través de ellos.

Una imagen de tela de pana algo arrugada.
Las láminas de fósforo negro, muy parecidas a esta tela de pana, tienen nervaduras.Crédito: Ariel Glenn / Wikimedia Commons

Sin embargo, muchos materiales pueden polarizar la luz y esa capacidad por sí sola no es especialmente útil. Lo que hace especial al fósforo negro, dice Atwater, es que también es un semiconductor, un material que conduce la electricidad mejor que un aislante, como el vidrio, pero no tan bien como un metal como el cobre. El silicio de los microchips es un ejemplo de semiconductor. Y así como las estructuras diminutas construidas con silicio pueden controlar el flujo de electricidad en un microchip, las estructuras construidas con fósforo negro pueden controlar la polarización de la luz cuando se les aplica una señal eléctrica.

«Estas pequeñas estructuras están haciendo esta conversión de polarización», dice Atwater, «así que ahora puedo hacer algo que sea muy delgado y sintonizable, y a escala nanométrica. Podría hacer una matriz de estos pequeños elementos, cada uno de los cuales puede convertir la polarización en un estado de polarización reflejada diferente «.

La tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) que se encuentra en las pantallas de los teléfonos y televisores ya tiene algunas de esas capacidades, pero la tecnología de fósforo negro tiene el potencial de adelantarse mucho. Los «píxeles» de una matriz de fósforo negro podrían ser 20 veces más pequeños que los de las pantallas LCD, pero responder a las entradas un millón de veces más rápido.

Estas velocidades no son necesarias para ver una película o leer un artículo en línea, pero podrían revolucionar las telecomunicaciones, dice Atwater. El cable de fibra óptica a través del cual se envían las señales de luz en los dispositivos de telecomunicaciones solo puede transmitir tantas señales antes de que comiencen a interferir y abrumarse entre sí, distorsionándolas (imagen tratando de escuchar lo que dice un amigo en un bar abarrotado y ruidoso) . Pero un dispositivo de telecomunicaciones basado en capas delgadas de fósforo negro podría sintonizar la polarización de cada señal para que ninguna interfiera entre sí. Esto permitiría que un cable de fibra óptica transportara muchos más datos de los que tiene ahora.

Atwater dice que la tecnología también podría abrir la puerta a un reemplazo basado en luz para Wi-Fi, algo a lo que los investigadores en el campo se refieren como Li-Fi.

«Cada vez más, analizaremos las comunicaciones por ondas de luz en el espacio libre», dice. «Una iluminación como esta lámpara de aspecto muy atractivo sobre mi escritorio no transmite ninguna señal de comunicación. Solo proporciona luz. Pero no hay ninguna razón por la que no pueda sentarse en un Starbucks futuro y hacer que su computadora portátil reciba una señal de luz para su conexión inalámbrica comunicación en lugar de una señal de radio. Aún no está aquí, pero cuando llegue, será al menos cien veces más rápido que Wi-Fi «.

El artículo que describe el trabajo se titula « Conversión de polarización electroóptica de banda ancha con fósforo negro atómicamente delgado «. El autor principal es Souvik Biswas, estudiante de posgrado en física aplicada. Otros coautores son Meir Y. Grajower, investigador asociado postdoctoral en física aplicada y ciencia de materiales, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.

Los fondos para la investigación fueron proporcionados por el Departamento de Energía de EE. UU. Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón; la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia; y la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología.

«Estos son tiempos emocionantes para el descubrimiento de nuevos materiales que pueden dar forma al futuro de los dispositivos fotónicos, y apenas hemos arañado la superficie», dice Biswas. «Sería gratificante si algún día pudieras comprar un producto comercial construido con materiales tan atómicamente delgados, y ese día podría no estar muy lejos».

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