El nuevo método que permitiría controlar la luz infrarroja podría afectar a los dispositivos utilizados en imágenes, machine learning y más.
En la década de 1950, el campo de la electrónica comenzó a cambiar cuando el transistor reemplazó los tubos de vacío en las computadoras. El cambio, que implicaba reemplazar componentes grandes y lentos por componentes pequeños y rápidos, fue un catalizador de la tendencia permanente de la miniaturización en el diseño de computadoras. Ninguna revolución de este tipo ha llegado al campo de la óptica infrarroja, que sigue dependiendo de piezas móviles voluminosas que impiden construir sistemas pequeños.
Sin embargo, un equipo de investigadores del MIT Lincoln Laboratory, junto con el profesor Juejun Hu y un grupo de estudiantes graduados del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT , está ideando una forma de controlar la luz infrarroja mediante el uso de materiales de cambio de fase en lugar de piezas móviles. Estos materiales tienen la capacidad de cambiar sus propiedades ópticas cuando se les agrega energía.
«Hay varias formas posibles en que este material puede habilitar nuevos dispositivos fotónicos que impactan en la vida de las personas», dice Hu. “Por ejemplo, puede ser útil para conmutadores ópticos de bajo consumo, que pueden mejorar la velocidad de la red y reducir el consumo de energía de los centros de datos de Internet. Puede habilitar dispositivos metaópticos reconfigurables, como lentes de zoom infrarrojos planos y compactos sin partes móviles mecánicas. También puede conducir a nuevos sistemas informáticos, que pueden hacer que el machine learning sea más rápido y más eficiente en términos de energía en comparación con las soluciones actuales «.
Una propiedad fundamental de los materiales de cambio de fase es que pueden cambiar la rapidez con que la luz viaja a través de ellos (el índice de refracción). «Ya hay formas de modular la luz usando un cambio de índice de refracción, pero los materiales de cambio de fase pueden cambiar casi 1.000 veces mejor», dice Jeffrey Chou, un miembro del equipo que anteriormente pertenecía al Grupo de Materiales y Microsistemas Avanzados del laboratorio.
El equipo controló con éxito la luz infrarroja en múltiples sistemas mediante el uso de una nueva clase de material de cambio de fase que contiene los elementos germanio, antimonio, selenio y teluro, conocidos colectivamente como GSST. Este trabajo se discute en un artículo publicado en Nature Communications.
La magia de un material de cambio de fase ocurre en los enlaces químicos que unen sus átomos. En un estado de fase, el material es cristalino, con sus átomos dispuestos en un patrón organizado. Este estado puede cambiarse aplicando un pico corto de energía térmica a alta temperatura al material, haciendo que los enlaces en el cristal se rompan y luego se reforman en un patrón más aleatorio o amorfo. Para volver a cambiar el material al estado cristalino, se aplica un pulso de energía térmica a temperatura media y alta.
«Este cambio de los enlaces químicos permite que surjan diferentes propiedades ópticas, similares a las diferencias entre el carbón (amorfo) y el diamante (cristalino)», dice Christopher Roberts, otro miembro del equipo de investigación del Laboratorio Lincoln. «Si bien ambos materiales son en su mayoría carbono, tienen propiedades ópticas muy diferentes».
Actualmente, los materiales de cambio de fase se utilizan para aplicaciones industriales, como la tecnología Blu-ray y los DVD regrabables, porque sus propiedades son útiles para almacenar y borrar una gran cantidad de información. Pero hasta ahora, nadie los ha usado en óptica infrarroja porque tienden a ser transparentes en un estado y opacos en el otro, como por ejemplo el diamante, que la luz puede atravesar, y el carbón, que la luz no puede penetrar. Si la luz no puede atravesar uno de los estados, entonces esa luz no puede controlarse adecuadamente para una variedad de usos; en cambio, un sistema solo podría funcionar como un interruptor de encendido / apagado, permitiendo que la luz pase a través del material o no lo haga en absoluto.
Sin embargo, el equipo de investigación descubrió que al agregar el elemento selenio al material original (llamado GST), la absorción de luz infrarroja en la fase cristalina del material disminuyó drásticamente, en esencia, cambiándola de un material opaco similar al carbón a un material más transparente como el diamante. Además, la gran diferencia en el índice de refracción de los dos estados afecta la propagación de la luz a través de ellos.
«Este cambio en el índice de refracción, sin introducir pérdida óptica, permite el diseño de dispositivos que controlan la luz infrarroja sin la necesidad de piezas mecánicas», dice Roberts.
Como ejemplo, imagine un rayo láser que apunta en una dirección y necesita ser cambiado a otro. En los sistemas actuales, un gran cardán mecánico movería físicamente una lente para dirigir el haz a otra posición. Una lente de película delgada hecha de GSST podría cambiar de posición reprogramando eléctricamente los materiales de cambio de fase, permitiendo la dirección del haz sin partes móviles.
El equipo ya ha probado el material con éxito en una lente en movimiento. También han demostrado su uso en imágenes hiperespectrales infrarrojas, que se utilizan para analizar imágenes en busca de objetos ocultos o información, y en un obturador óptico rápido que pudo cerrarse en nanosegundos.
Los usos potenciales de GSST son enormes, y un objetivo final para el equipo es diseñar chips ópticos, lentes y filtros reconfigurables, que actualmente deben reconstruirse desde cero cada vez que se requiere un cambio. Una vez que el equipo está listo para mover el material más allá de la fase de investigación, debería ser bastante fácil hacer la transición al espacio comercial. Como ya es compatible con los procesos estándar de fabricación microelectrónica, los componentes GSST podrían fabricarse a bajo coste y en grandes cantidades.
Recientemente, el laboratorio obtuvo una cámara de pulverización combinatoria, una máquina de última generación que permite a los investigadores crear materiales personalizados a partir de elementos individuales. El equipo usará esta cámara para optimizar aún más los materiales para una mayor confiabilidad y velocidades de conmutación, así como para aplicaciones de baja potencia. También planean experimentar con otros materiales que pueden resultar útiles para controlar la luz visible.
Los siguientes pasos para el equipo son observar de cerca las aplicaciones del mundo real de GSST y comprender lo que esos sistemas necesitan en términos de potencia, tamaño, velocidad de conmutación y contraste óptico.
«El impacto [de esta investigación] es doble», dice Hu. «Los materiales de cambio de fase ofrecen un cambio de índice de refracción drásticamente mejorado en comparación con otros efectos físicos, inducidos por un campo eléctrico o cambio de temperatura, por ejemplo, permitiendo dispositivos y circuitos ópticos reprogramables extremadamente compactos. Nuestra demostración de transparencia óptica en estos materiales también es importante porque ahora podemos crear componentes infrarrojos de alto rendimiento con una pérdida óptica mínima «. Se espera que el nuevo material, continúa Hu, abra un espacio de diseño completamente nuevo en el campo de la óptica infrarroja.
Esta investigación fue apoyada con fondos de la Oficina de Tecnología del laboratorio y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos.
