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Capa de Invisibilidad: los ingenieros utilizan plasmónica para crear un fotodetector invisible
Puede que no sea intuitivo, pero una capa de metal reflectante en realidad puede hacer algo menos visible, los ingenieros de Stanford y la Universidad de Pensilvania lo han demostrado. Han creado un detector invisible de luz que puede «ver sin ser visto».
El corazón del dispositivo son los nanocables de silicio cubiertos por una fina capa de oro. Mediante el ajuste de la relación de metal a silicio – una técnica que los ingenieros refieren como la sintonización de las geometrías – capitalizan la física a nanoescala en la que la luz reflejada de los dos materiales se cancela entre sí para hacer que el dispositivo sea invisible.
Pengyu Fan es el autor principal de un artículo que demuestra el nuevo dispositivo publicado en línea el 20 de mayo en la revista Nature Photonics. Él es un estudiante de doctorado en ciencia de materiales e ingeniería en la Universidad de Stanford que trabaja en el grupo del profesor Mark Brongersma, el autor principal del estudio.
Capa de invisibilidad
La detección de la luz es bien conocida y relativamente simple. El silicio genera corriente eléctrica cuando se ilumina y es común en los paneles solares y sensores de luz. El dispositivo de Stanford, sin embargo, por primera vez se utiliza un concepto relativamente nuevo conocido como camuflaje plasmónico para hacer que el dispositivo sea invisible.
El campo de los estudios de plasmónica trata sobre cómo la luz interactúa con nanoestructuras metálicas e induce pequeñas corrientes eléctricas oscilantes a lo largo de las superficies del metal y el semiconductor. Estas corrientes, a su vez, producen ondas de luz dispersas.
Mediante un cuidadoso diseño de sus dispositivos – mediante la regulación de la geometría – los ingenieros han creado un manto plasmónico en el que la luz dispersada por el metal y el semiconductor se anulan entre sí perfectamente a través de un fenómeno conocido como interferencia destructiva.
Las ondas de luz ondulantes en el metal y el semiconductor crean una separación de cargas positivas y negativas en los materiales – un momento dipolar, en términos técnicos. La clave consiste en crear un dipolo en el oro que es igual en fuerza pero de signo opuesto al dipolo en el silicio. Cuando los dipolos positivos y negativos igualmente fuertes se encuentran, se anulan mutuamente y el sistema se vuelve invisible.
«Hemos encontrado que una capa de oro cuidadosamente diseñada altera dramáticamente la respuesta óptica de los nanocables de silicio», dijo Fan. «La absorción de la luz en el cable cae ligeramente – por un factor de sólo cuatro -, pero la dispersión de gotas de luz por 100 veces debido al efecto de camuflaje, convirtiéndose en invisibles.»
«Parece contradictorio,» dijo Brongersma «, pero se puede cubrir un semiconductor de metal – incluso uno tan reflexivo como el oro -. Y aún así tener luz para llegar hasta el silicio como se muestra, el metal no sólo permite a la luz llegar al silicio en el que se puede detectar la corriente generada, sino que hace que el hilo sea invisible.».
En términos efectivos
Los ingenieros han demostrado que el cubrimiento plasmónica es eficaz en la mayor parte del espectro visible de la luz y que el efecto funciona independientemente del ángulo de luz entrante o la forma y la colocación de las cubiertas de los nanocables de metal en el dispositivo. Demuestran que del mismo modo otros metales de uso común en los chips de ordenador, como el aluminio y el cobre, funcionan tan bien como el oro.
Para producir la invisibilidad, lo que importa sobre todo es la afinación de metales y semiconductores. «Si los dipolos no se alinean correctamente, el efecto de invisibilidad se reduce, o incluso se pierde», dijo Fan. «Contar con la cantidad correcta de materiales en nanoescala, por lo tanto, es clave para producir el mayor grado de encubrimiento».
En el futuro, los ingenieros prevén la aplicación en dispositivos semiconductores de metal en muchas áreas importantes, incluyendo células solares, sensores, iluminación de estado sólido, láseres a escala de chip, y mucho más.
En las cámaras digitales y sistemas de diagnóstico por imágenes, por ejemplo, los pixeles cubiertos plasmónicamente podrían reducir la perjudicial diafonía entre los píxeles vecinos, que produce desenfoque. Por lo tanto, podría dar lugar a fotos más nítidas y e imágenes médicas más precisas.
«Incluso podemos imaginar reingeniería de los actuales dispositivos opto-electrónicos para incorporar nuevas funciones y valiosas para lograr densidades de sensores que no son posibles hoy en día», concluyó Brongersma. «Hay muchas nuevas oportunidades para estos bloques fotónicos de construcción».
Fuente: Pengyu Fan, Uday K. Chettiar, Linyou Cao, Farzaneh Afshinmanesh, Nader Engheta, Mark L. Brongersma. An invisible metal–semiconductor photodetector. Nature Photonics, 2012; DOI: 10.1038/nphoton.2012.108
Manipulan el tiempo para crear invisibilidad de eventos (de utilidad en ordenadores cuánticos)
La ciencia trabaja desde hace más de un siglo en la creación de un posible manto de la invisibilidad que podría, mediante el uso de las propiedades refractoras de un material, desviar las ondas de luz de un objeto y convertirlo en invisible en el espacio es algo en lo que.
El nuevo mecanismo creado por el equipo liderado por Martin MacCall, cuyas conclusiones se publican en el Journal of Optics, da un paso más al poner en práctica esta técnica en una cuarta dimensión, el tiempo, abriendo la posibilidad de esconder u ocultar eventos enteros.
El trabajo del equipo de MacCall sugiere que un objeto podría moverse de una región del espacio a otra sin que ninguno de los potenciales espectadores lo detectara.
Para conseguir este efecto, los investigadores manipularon las propiedades de la luz y crearon un manto de “vacío temporal” en el que los eventos no serían percibidos por el espectador.
“Hemos mostrado que es posible ocultar el paso del tiempo. De forma que no sólo pueden oscurecerse eventos específicos sino que sería posible para mí estar viendo a una persona que de repente desaparece y reaparece en un lugar distinto”, señala a MacCall.
“Normalmente tienes una fuente de luz detrás de un objeto que te permite ver su historia. Imagina que la historia es como una película y a esa película se le quita una escena, eso es lo que hemos conseguido”, explica el italiano Alberto Favaro, de Imperial College, también coautor del estudio.
¿Cómo ha sido posible este “truco de magia”?
“Nuestro manto de invisibilidad de eventos en el espacio y en el tiempo funciona al dividir la fuente de luz en fotones. Se determina un punto en el que se decide que los fotones que se encuentran delante se aceleren y los que están en la parte de atrás se retrasen. De esta forma, en el centro se crea un área en la que no hay fotones. El evento que no recibe iluminación se esconde en este vacío. Mientras el espectador percibe sólo un flujo continuo de eventos”, ilustra Favaro.
“Al contrario de lo que ocurre con otros mantos, este sistema no trata de desviar la luz de un objeto, sino que estrecha los rayos de luz en el tiempo, abriendo como una cortina de teatro y creando un pasillo temporal en el que la energía, la información y la materia puede ser manipulada o transportada sin ser detectada”, continúa el investigador.
Además, Favaro señala que mientras los mantos de invisibilidad hacen que el objeto desaparezca de forma definitiva (“nunca se ve”), el mecanismo inventado por ellos hace que el evento desaparezca en un determinado momento, en una escena que se ha cortado, pero puede volver (o no) a aparecer después.
Las aplicaciones del invento permitirían en un principio sentar las bases para la creación de un manto que permitiera la invisibilidad en el tiempo.
Pero mucho antes de que esto ocurra y la ciencia gane la partida a la ficción, podría tener un gran impacto en la comunicación con fibras ópticas y en el desarrollo de los ‘ordenadores cuánticos’, que se basan en la manipulación de la luz para la transmisión segura de una enorme cantidad de datos.
Es una transmisión de datos en un canal por vía de luz en una fibra óptica. Por un lado, tienes un canal que envía información continua, como la circulación continua coches de una carretera. “Por otro lado, tienes la persona que intenta cruzar la carretera, que sería información ocasional y prioritaria”, ejemplifica Favaro.
“Lo ideal es procesar la información prioritaria siempre, pero no sabes cuándo se va a producir, porque es ocasional. Nuestro invento permitiría utilizar el manto para que la persona pudiera cruzar la carretera y la información fuera procesada rápidamente. Después de esto se podría cerrar el vacío del medio de forma que la etapa de procesar información prioritaria no se vea y todo siga como si no hubiera interrupción”, asegura el investigador.
Al contrario del resto de las aplicaciones, el impacto del nuevo hallazgo en ordenadores cuánticos podría aplicarse, según Favaro, en tan sólo un par de años.
Fuente: L3TRC
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Enlaces de interés:
– Nuevo material que supone avance en la computación cuántica
– La nevera más pequeña del mundo
– Científicos de Frontera. Ignacio Cirac
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