Transformando materiales con luz: habilitando ventanas que se convierten en espejos y computadoras ultrarrápidas

Transformando materiales con luz: habilitando ventanas que se convierten en espejos y computadoras ultrarrápidas

Se ve un poderoso láser iluminando un material en una habitación con baja temperatura. El láser se utiliza para cambiar el grado de transparencia del material. Crédito: Caltech / David Hsieh Lab

Imagínese ventanas que podrían convertirse fácilmente en espejos, o computadoras súper rápidas que no funcionan con electrones sino con luz. Estas son solo algunas de las posibles aplicaciones que podrían surgir de la ingeniería fotónica, que es la práctica de utilizar láseres para cambiar las propiedades de los materiales de forma rápida y temporal.

«Estas herramientas pueden permitirle transformar las propiedades electrónicas de los materiales con solo presionar un interruptor de luz», dice David Hsieh, profesor de física en Caltech. «Pero las técnicas se han visto limitadas por el problema de los láseres que generan mucho calor en los materiales».

En un nuevo estudio en naturaleza temperamentalHsieh y su equipo, incluido el autor principal y estudiante de posgrado Johnny Chan, informan sobre su éxito en el uso de láseres para esculpir dramáticamente las propiedades de los materiales sin producir un exceso de calor dañino.

«Los láseres necesarios para estos experimentos son muy potentes, por lo que es difícil no calentar y dañar el material», dice Chan. Por otro lado, queremos que el material esté expuesto a una luz láser muy intensa. Por otro lado, no queremos que el material absorba nada de esa luz «.

El equipo encontró un «punto óptimo» para evitar esto, dice Chan, en el que la frecuencia del láser se ajusta con precisión para cambiar significativamente las propiedades del material sin transferir calor no deseado.

johnny chan

Crédito de Johnny Chan: Caltech

Los científicos también dicen que han encontrado un material ideal para demostrar este método. El material, un semiconductor llamado fósforo de trisulfuro de manganeso, absorbe naturalmente solo una pequeña cantidad de luz en una amplia gama de frecuencias infrarrojas. Para sus experimentos, Hsieh, Chan y sus colegas utilizaron intensos pulsos de láser infrarrojo, cada uno con una duración de entre 10 y 13 segundos, para cambiar rápidamente la energía de los electrones dentro del material. Como resultado, el material pasó de un estado muy opaco a un estado muy transparente para ciertos colores de luz.

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Lo más importante, dicen los investigadores, es que el proceso es reversible. Cuando el láser se apaga, el material vuelve inmediatamente a su estado original completamente intacto. Esto no sería posible si el material absorbiera la luz láser y se calentara porque el material tardaría mucho tiempo en disipar el calor. El procesamiento sin calor utilizado en el nuevo proceso se conoce como «ingeniería óptica coherente».

El método funciona porque la luz cambia las diferencias entre los niveles de energía de los electrones en un semiconductor (llamados intervalos de banda) sin empujar los mismos electrones a diferentes niveles de energía, que es lo que genera calor.

David Hsieh

David Hsieh. Crédito: Instituto de Tecnología de California

«Es como si tuvieras un bote y luego entra una gran ola y hace que el bote se balancee con fuerza hacia arriba y hacia abajo sin que ninguno de los pasajeros caiga», explica Hsieh. «Nuestro láser agita vigorosamente los niveles de energía del material, y esto cambia las propiedades de los materiales, pero los electrones permanecen constantes».

Los investigadores han teorizado previamente cómo funciona este método. Por ejemplo, en la década de 1960, el graduado del Instituto de Tecnología de California, John H. Shirley (PhD 63) proporciona ideas matemáticas sobre cómo resolver los niveles de energía electrónica en una sustancia en presencia de luz. Sobre la base de este trabajo, el equipo de Caltech en Hsieh colaboró ​​con los teóricos Mengxing Ye y Leon Balents de la Universidad de California, Santa Bárbara, para calcular los efectos esperados de la iluminación láser en fósforos de trisulfuro de manganeso. La teoría comparó experimentos con «maravillosos» saludDice Hsieh.

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Hsieh dice que los resultados significan que otros investigadores ahora pueden usar la luz para crear materiales artificiales, como imanes cuánticos exóticos, que habrían sido difíciles o incluso imposibles de crear de forma natural.

«En principio, este método puede cambiar las propiedades ópticas, magnéticas y muchas otras propiedades de los materiales», dice Chan. «Esta es una forma alternativa de practicar la ciencia de los materiales. En lugar de hacer nuevos materiales para lograr diferentes propiedades, podemos tomar solo un material y finalmente darle una amplia gama de propiedades útiles».

Referencia: “Modulación gigante de linealidad óptica por geometría de flocket” por Jun Yi Shan, Mi Yi, H Chu, Sungmin Lee, Ji Jeon Park, L. Balients y De Hsieh, 8 de diciembre de 2021 Disponible aquí. naturaleza temperamental.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04051-8

El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército. Fundación David y Lucille Packard; Fundación Nacional de Ciencias a través del Instituto de Información y Materia Cuántica en Caltech y a través de la Universidad de California, Santa Bárbara; Fundación Gordon y Betty Moore; La Fundación Nacional de Investigación de Corea. Otros autores incluyen a Hao Chu (PhD 17), así como a Sungmin Lee y Ji Geun Park de la Universidad Nacional de Seúl.

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