Hace cinco años, el erudito postdoctoral de Stanford  Momchil Minkov  encontró un rompecabezas que estaba impaciente por resolver. En el corazón de su campo de la óptica no lineal se encuentran los dispositivos que cambian la luz de un color a otro, un proceso importante para muchas tecnologías en telecomunicaciones, informática y equipos y ciencia basados ​​en láser. Pero Minkov quería un dispositivo que también atrapara ambos colores de luz, una hazaña compleja que podría mejorar enormemente la eficiencia de este proceso de cambio de luz, y quería que fuera microscópico.

“Dario Gerace, de la Universidad de Pavía en Italia, me expuso por primera vez a este problema mientras realizaba mi doctorado en Suiza. Intenté trabajar en eso entonces, pero es muy difícil ”, dijo Minkov. “Ha estado en el fondo de mi mente desde entonces. De vez en cuando, se lo mencionaría a alguien en mi campo y dirían que era casi imposible «.

Una ilustración del diseño de los investigadores. Los agujeros en esta estructura de losa microscópica están dispuestos y redimensionados para controlar y mantener dos longitudes de onda de luz. La barra de escala en esta imagen es de 2 micrómetros, o dos millonésimas de metro. technology.org

Para demostrar que lo casi imposible aún era posible, Minkov y  Shanhui Fan , profesor de ingeniería eléctrica en Stanford, desarrollaron pautas para crear una estructura de cristal con una forma no convencional de dos partes. Los  detalles de su solución fueron publicados en Optica , con Gerace como coautor. Ahora, el equipo está comenzando a construir su estructura teorizada para pruebas experimentales.

Una receta para limitar la luz.

Cualquiera que haya encontrado un puntero láser verde ha visto ópticas no lineales en acción. Dentro de ese puntero láser, una estructura de cristal convierte la luz láser de infrarrojo a verde. (La luz láser verde es más fácil de ver para las personas, pero los componentes para hacer láseres solo verdes son menos comunes). Esta investigación tiene como objetivo implementar una conversión de reducción de la longitud de onda similar pero en un espacio mucho más pequeño, lo que podría conducir a una gran mejora en la energía eficiencia debido a las complejas interacciones entre los haces de luz.

El objetivo del equipo era forzar la coexistencia de los dos rayos láser utilizando una cavidad de cristal fotónico, que puede enfocar la luz en un volumen microscópico. Sin embargo, las cavidades de cristal fotónico existentes generalmente solo confinan una longitud de onda de luz y sus estructuras están altamente personalizadas para adaptarse a esa longitud de onda.

Una receta para crear una estructura cristalina microscópica que pueda contener dos longitudes de onda de luz a la vez es un paso hacia telecomunicaciones y computadoras cuánticas más rápidas. news.stanford.edu

Entonces, en lugar de hacer una estructura uniforme para hacerlo todo, estos investigadores idearon una estructura que combina dos formas diferentes de confinar la luz, una para mantener la luz infrarroja y otra para mantener el verde, todo aún contenido dentro de un pequeño cristal.

«Tener diferentes métodos para contener cada luz resultó ser más fácil que usar un mecanismo para ambas frecuencias y, en cierto sentido, es completamente diferente de lo que la gente pensaba que tenían que hacer para lograr esta hazaña», dijo Fan.

Después de resolver los detalles de su estructura de dos partes, los investigadores produjeron una lista de cuatro condiciones, que deberían guiar a sus colegas en la construcción de una cavidad de cristal fotónico capaz de contener dos longitudes de onda de luz muy diferentes. Su resultado se lee más como una receta que como un esquema porque las estructuras de manipulación de la luz son útiles para tantas tareas y tecnologías que los diseños para ellas tienen que ser flexibles.

«Tenemos una receta general que dice: ‘Dime cuál es tu material y te diré las reglas que debes seguir para obtener una cavidad de cristal fotónico que es bastante pequeña y confina la luz en ambas frecuencias'», dijo Minkov.

La financiación de esta investigación provino de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU., La Fundación Nacional Suiza de Ciencia y el Cofund QuantERA ERA-NET en Tecnologías Cuánticas. futurity.org

Computadoras y curiosidad

Si los canales de telecomunicaciones fueran una carretera, cambiar entre diferentes longitudes de onda de luz equivaldría a un cambio rápido de carril para evitar una desaceleración, y una estructura que contiene múltiples canales significa un cambio más rápido. La óptica no lineal también es importante para las computadoras cuánticas porque los cálculos en estas computadoras se basan en la creación de partículas enredadas, que pueden formarse a través del proceso opuesto que ocurre en el cristal del laboratorio de Fan, creando partículas rojas de luz gemelas a partir de una partícula verde de luz.

Visualizar posibles aplicaciones de su trabajo ayuda a estos investigadores a elegir lo que estudiarán. Pero también están motivados por su deseo de un buen desafío y la intrincada extrañeza de su ciencia.

«Básicamente, trabajamos con una estructura de losa con agujeros y al organizar estos agujeros, podemos controlar y mantener la luz«, dijo Fan. “Movimos y redimensionamos estos pequeños agujeros por billonésimas de metro y eso marca la diferencia entre el éxito y el fracaso. Es muy extraño e infinitamente fascinante «.

Estos investigadores pronto se enfrentarán con estas complejidades en el laboratorio, ya que están comenzando a construir su cavidad de cristal fotónico para pruebas experimentales.

Fuente: https://www.technology.org/2019/08/08/stanford-researchers-design-a-light-trapping-color-converting-crystal/


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