A pesar de ser más fino que el ancho de un cabello humano, un componente de microchip que absorbe la luz promete proporcionar un elevado retorno en el rendimiento de las células solares, de la electrónica de consumo e incluso de las tecnologías de ocultación. La matriz cónica de guía de onda a escala nanométrica desacelera la luz en una amplia escala de longitudes de onda.

No es poca cosa, sobre todo porque la luz viaja a 300.000 kilómetros por segundo y los intentos anteriores tan solo lograron ralentizar la luz en un estrecho rango de longitudes de onda. Teniendo en cuenta que las longitudes de onda en el rango del espectro de las telecomunicaciones miden desde 1330 hasta 1550 nanómetros, este nano componente es una opción idónea  para las comunicaciones ópticas.

Capacidad para absorber un “arco iris” de longitudes de onda

La matriz cónica ve la luz tras cinco años de trabajo teórico y experimental llevado a cabo por Qiaoqiang Gan, primero como estudiante de posgrado en el grupo de Filbert Bartoli de la Universidad de Lehigh  y luego como profesor en la Universidad de Buffalo, The State University of New York. Los esfuerzos de Gan han dado como resultado una película ultrafina cuidadosamente elaborada compuesta de múltiples capas de metal, semiconductores y materiales aislantes. A través del grabado de patrones específicos en las capas y diversos ajustes de su grosor, la matriz puede absorber un «arco iris» de longitudes de onda.

El equipo de investigadores abordó en este proyecto un fenómeno llamado “pérdida en metales”, en el que el material de metal de un chip, además de simplemente propagar la luz, también la absorbe y la disipa como calor. Para utilizar las ondas de la luz atrapadas es necesario ponerlas en libertad a partir de una estructura de red, para ello los ingenieros llevaron a cabo esta idea recubriendo la estructura con materiales dieléctricos. A partir de la temperatura de ajuste de los materiales dieléctricos, los investigadores fueron capaces de cambiar las propiedades ópticas de la estructura de red del metal, lo que a su vez, permitió a las ondas de luz atrapadas ser puestas en libertad.

Aplicaciones

Este material permitirá una absorción energéticamente más eficiente para una variedad de aplicaciones. En el campo de la energía solar la matriz permitirá que las células fotovoltaicas almacenen todas las longitudes de onda en el espectro solar. Las células actuales basadas ​​en materiales semiconductores sólo absorben porciones específicas del espectro solar. La capacidad de sintonizar la matriz a través del espectro también lo hace atractivo como un dispositivo para reciclar la energía térmica. Al integrarla con dispositivos que emiten calor e irradian ondas electromagnéticas, la matriz podría permitir reciclar el calor en electricidad, mejorando el rendimiento de una amplia gama de dispositivos, incluyendo la electrónica de consumo.

Respecto a telecomunicaciones ópticas, las ondas de luz pueden transmitir datos con mayor velocidad que las señales eléctricas. Si se guían con la suficiente precisión en el interior de los pequeños circuitos en un microchip electrónico, puede dar lugar a grandes avances en aplicaciones de la espectroscopia, detección y diagnóstico por imagen. Además podría acelerar la llegada de nuevas redes de telecomunicaciones ópticas mucho más rápidas, en las que sería posible transmitir las señales de luz y la ruta de datos sin necesidad de ser convertidas en señales eléctricas y viceversa. Por otra parte, la matriz podría eliminar el ruido creado por las señales no deseadas en los circuitos o en canales ópticos. En el ámbito militar, cuando se incorporen a vehículos militares, la tecnología de matriz podría actuar como un dispositivo de camuflaje que permite a los vehículos evitar el radar, el sonar u otras formas de detección.

Absorción óptica en un amplísimo espectro

Gan y sus colegas usan las técnicas de pulverización catódica (sputtering) y evaporación para depositar capas alternas de películas delgadas de plata y dióxido de silicio sobre un sustrato. Los investigadores tallan a continuación la matriz en las multicapas con litografía por haz de iones, una técnica que utiliza iones para transferir el patrón cónico en las multicapas. Mediante el ajuste del espesor de las capas y la forma de los patrones, los investigadores determinan las propiedades ópticas de la matriz.

«El aspecto sorprendente de esta tecnología es nuestra capacidad para diseñar absorción óptica sobre un espectro ultra amplio», dice Gan. «Se puede sintonizar la absorción de la matriz modelada para cualquier longitud de onda, de la región visible a la de microondas e incluso manipular finamente el perfil de absorción para imitar materiales naturales.»

Este articulo de Research in Science ha sido proporcionado a Live Science  en colaboración con el National Science Foundation.