Fuente: CSIC - UPV/EHU (Fotones y electrones dialogan en la nanoescala
de una habitación simulada) |
El trasvase de información entre los fotones de la luz, portadores de
información, y los electrones de los dispositivos electrónicos
miniaturizados es un reto tecnológico que podría encontrar una solución
a partir de ahora gracias a una nueva propuesta de un equipo
internacional con participación del Consejo Superior de Investigaciones
Científicas (CSIC).
El trabajo, publicado en la revista Science Advances, ha sido elaborado
por investigadores del Centro de Física de Materiales (CSIC-Universidad
del País Vasco), el Donostia International Physics Center en San
Sebastián, el Instituto de Ciencias Moleculares de Orsay (Francia), la
Universidad de los Andes (Columbia) y el Laboratorio de Nanofotónica de
Houston (Estados Unidos).
Los fotones de la luz y los electrones de numerosos dispositivos
electrónicos hablan idiomas diferentes, aunque estén destinados a
entenderse. La luz, actualmente utilizada en las comunicaciones
modernas, es un medio rápido y muy fiable de transmisión de información.
Sin embargo, la mayor parte de esta información fotónica debe ser luego
procesada y tratada por electrones en componentes electrónicos
miniaturizados, como por ejemplo, los transistores que miden unos pocos
nanómetros.
Debido al régimen tan distinto de dimensiones y velocidad, surge un
problema al transferir la información de los fotones a los electrones, y
viceversa. Igual que si estuvieran en una diminuta torre de babel. Los
campos eléctricos asociados con el fotón oscilan muy deprisa (del orden
de mil billones de veces por segundo) y además, al tratarse de una onda,
se esparcen y se extienden en el espacio debido al efecto que se conoce
como límite de difracción. Por otro lado, los electrones, impulsados por
campos estáticos y constantes, se mueven mucho más despacio y en
dimensiones mucho más reducidas. La imposibilidad de que fotones y
electrones se comuniquen en dimensiones reducidas es actualmente un
cuello de botella tecnológico.
Una “nanohabitación” para atrapar la luz
Esta nueva propuesta conceptual plantea explotar el régimen de
transporte cuántico de los electrones en una cavidad metálica de escala
nanométrica, que puede ser entendida como una "nanohabitación" que
podría actuar como foro donde los electrones y los fotones se encuentran
y pueden hablar el mismo idioma, transmitiéndose así la información de
manera rápida y efectiva. En esta nanocavidad, los fotones son atrapados
en las mismas dimensiones que los electrones, gracias a una excitación
colectiva de la materia denominada plasmón, que ayuda a "capturar" la
luz en esta "habitación en miniatura".
El trabajo propone a su vez que la excitación de esta "luz atrapada"
depende de la corriente estática inducida entre los dos electrodos de la
nanocavidad, es decir, entre las paredes de la "habitación", gracias al
mecanismo de efecto túnel que permite que los electrones pasen de una
pared a otra. Javier Aizpurua, investigador del CSIC y científico
asociado del Donostia International Physics Center, explica: "Es como
poner juntos en una habitación minúscula los electrones y fotones, y
estos últimos sólo brillan o se apagan dependiendo de que los primeros
se muevan rebotando por las paredes de la habitación o no. Es un diálogo
en la nanoescala a base de movimiento atrapado".
El control de la activación y desactivación de las oscilaciones rápidas
de la luz con corrientes eléctricas estáticas a este nivel de
miniaturización es únicamente posible debido a la dependencia que
presenta esta luz atrapada al régimen de túnel cuántico de los
electrones a través de la nanocavidad. Por primera vez, este equipo de
investigadores propone una solución tecnológica para crear un modulador
electroóptico en la nanoescala.
“Sería una especie de nanotraductor para electrones y fotones. El
principio de acción presentado en este trabajo requiere de una
fabricación muy precisa de la nanocavidad donde la luz queda atrapada,
así como la aplicación muy precisa y simultánea de un potencial externo
entre los electrodos de la cavidad para controlar la corriente túnel.
Solamente en estas condiciones es posible la modulación electroóptica en
la nanoescala”, agrega Aizpurua.
El nivel de modulación se puede mejorar en futuros diseños más
sofisticados, pero este concepto electroóptico en la nanoescala
introduce una nueva vía para el desarrollo de nuevas tecnologías de la
información. En ellas, los electrones y fotones se comunicarían más
rápido, de manera más compacta, y por tanto, consumirían menos energía
por bit de información intercambiado.
Fuente: CSIC 22/12/2015
D. C. Marinica, M. Zapata, P. Nordlander, A. K. Kazansky, P. M.
Echenique, J. Aizpurua, y A. G. Borisov. Active quantum plasmonics.
Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1501095
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