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TAPA

Un futuro brillante

Los avances en la tecnología cotidiana dependerán cada vez más del control microscópico de la luz

016-023_Capa Luz_235-01En el lapso de una década, las computadoras, tablets y celulares sufrirán una transformación invisible impulsada por la luz. En apariencia, no serían muy diferentes. Sin embargo, funcionarán más rápido y consumirán menos energía eléctrica gracias a un nuevo conjunto de tecnologías destinadas a manipular la luz a escala microscópica. Las nuevas tecnologías ya permiten la fabricación de los denominados chips nanofotónicos de silicio. Al igual que los chips de silicio convencionales, los nanofotónicos están elaborados con componentes electrónicos microscópicos. La diferencia radical reside en que, en lugar de estar integrados por circuitos de hilos metálicos, encargados de la transmisión de las señales eléctricas, los componentes del nuevo chip se comunican mediante señales lumínicas, de láser, para ser específicos. La ventaja de los pulsos lumínicos sobre los eléctricos radica en que transportan mayor cantidad de información en menor tiempo. En el caso de los chip nanofotónicos, el intercambio de información se producirá, prácticamente, sin conversión de energía eléctrica en calor.

Los chips con elementos nanofotónicos ya forman parte de los programas de investigación de multinacionales del área de la electrónica y existen como prototipo. Cuando se encuentren listos para su comercialización, constituirán, en principio, un aporte a las supercomputadoras de los principales centros de datos del mundo. “Todavía quedan problemas de física básica y de ingeniería por resolver”, dice Gustavo Wiederhecker, físico de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien estudia la interacción de la luz con los materiales nanométricos. “No obstante, en algún momento, el costo de producción se reducirá y la nanofotónica podrá pasar a formar parte de la vida cotidiana de la gente.

“Los avances recientes de la nanofotónica son impresionantes, pero nada de eso es tan revolucionario como el láser”, explica Paulo Nussenzveig, físico de la Universidad de São Paulo (USP) y experto en óptica cuántica. Nussenzveig colabora desde 2012 con el equipo de la física Michal Lipson en la Universidad Columbia, en Estados Unidos, en la exploración de los fenómenos cuánticos de la luz en los chips nanofotónicos. Durante el año pasado, el grupo publicó un artículo en la revista Nature Photonics donde demostraba cómo podría utilizarse un efecto magnético cuántico para conducir la luz a través de un canal microscópico en un chip de silicio. “El láser constituyó el cambio de paradigma que permitió el desarrollo de todas las tecnologías emergentes a partir de allí”, dice Nussenzveig, quien en julio de este año abordó los avances recientes en su área en el workshop intitulado Light: Life & Science, que se realizó en São Carlos, en el interior de São Paulo, para celebrar el Año Internacional de la Luz, una iniciativa de la Organización de las Naciones Unidas para elevar la conciencia de la gente acerca de la importancia de la fotónica, la ciencia y tecnología del control de la luz, que posibilitó la invención del láser y de la fibra óptica que actualmente conecta las computadoras con el mundo exterior (observe la línea del tiempo).

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Luz concentrada
La invención del láser sólo fue posible gracias al final del debate histórico sobre la verdadera naturaleza física de la luz, que caducó al comienzo del siglo XX. Fenómenos nuevos que involucraban a la materia (átomos y electrones) y a la luz, recién fueron comprendidos en su totalidad con el desarrollo de la teoría de la mecánica cuántica. En concordancia con esa teoría, un haz de luz está compuesto por billones de fotones, entidades elementales cuya naturaleza es ambigua, pudiendo comportarse a veces como ondas, o bien como partículas.

En 1916, Albert Einstein calculó que, en las circunstancias adecuadas, la presencia de un fotón en las proximidades de un átomo “excitado” ‒es decir, listo para emitir él mismo un fotón‒ estimularía en ese átomo la emisión de un fotón idéntico. En los años 1950, varios científicos intentaron emplear ese efecto para la creación de lo que se denominó como láser, acrónimo en inglés para la amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. El ingeniero estadounidense Theodore Maiman fue el primero que produjo un dispositivo capaz de emitir un láser con éxito, en 1960.

El poder del láser se basa en la sincronía de sus fotones. A diferencia de las fuentes de luz natural y artificial, cuyos átomos emiten fotones en tiempos, frecuencias y direcciones diferentes, los átomos de un generador de láser emiten fotones en sincronía, con la misma frecuencia y en la misma dirección. Un haz de luz láser que se utiliza para soldar o cortar chapas de metal, por ejemplo, emite fotones con la misma potencia que una lámpara casera de 100 vatios. La diferencia radica en que el haz láser permite concentrar toda esa potencia sobre un área muy pequeña.

El láser también transformó la investigación básica y les brindó la posibilidad a los físicos de explorar la denominada óptica no lineal, la especialidad de Cleber Mendonça, de la USP de São Carlos. “Esta área estudia los fenómenos ópticos que sólo aparecen cuando la intensidad de la luz es muy alta”, explica el físico.

Cuando se enfoca un haz de luz láser muy intenso sobre un punto de un material, ocurre lo siguiente en la región aledaña al foco: las propiedades ópticas del material, así como su capacidad para reflejar o refractar la luz, son modificadas por el láser y, consecuentemente, la luz del láser resulta transformada por el material, alterando sus frecuencias de oscilación, por ejemplo.

Junto a su equipo de la USP, Mendonça estudió esos efectos no lineales para la elaboración de estructuras micro y nanométricas en vidrios y polímeros orgánicos que los investigadores intentan tornar compatibles con el silicio. En tanto, el grupo del físico Paulo Dainese, de la Unicamp, investiga el modo en que los efectos no lineales podrían mejorar la manipulación de la información codificada en pulsos luminosos conducidos a través de fibras ópticas.

Las fibras ópticas son canales flexibles elaborados con un vidrio muy homogéneo y transparente, capaces de conducir las señales luminosas a través de largas distancias casi sin pérdida de energía. En la actualidad, más de mil millones de kilómetros de fibras ópticas conectan a las computadoras del globo, algo que sería imposible de realizar con cables de transmisión de señales eléctricas, que se propagan mediante la oscilación de los electrones en un hilo de metal. Esa excitación de los electrones provoca la pérdida de mucha energía, que generalmente se transforma en calor. En tanto, los fotones, si se los compara con los electrones, prácticamente no pierden energía durante ese proceso.

Dainese explica que una única fibra óptica puede transmitir múltiples mensajes codificados simultáneamente en señales lumínicas, merced a unos componentes ópticos denominados multiplexores, que combinan haces de luz con frecuencias diferentes, puesto que cada frecuencia lumínica transmite un mensaje. “A veces, en telecomunicaciones, se necesita pasar un mensaje transmitido de un canal de frecuencia a otro”, comenta Dainese. “Eso actualmente se realiza convirtiendo la señal codificada en cierta frecuencia lumínica en una señal eléctrica y, retransmitiéndola posteriormente en otra frecuencia de luz, pero estamos evaluando el modo de utilizar efectos no lineales para eliminar esa etapa eléctrica, que resulta lenta y onerosa”.

Del mismo modo que se redujo drásticamente el costo de la transmisión de la información a largas distancias con el empleo de fibras ópticas en lugar de cables eléctricos, llegó la hora de hacer lo mismo en los chips de computadoras. “En un pasado reciente, los microchips eran muy compactos y tan sólo disponían de un único núcleo de procesamiento de cientos de micrones de extensión”, explica Wiederhecker. “Esto se modificó en los últimos 15 años con el surgimiento de procesadores con varios núcleos, que trabajan en paralelo”. En esos procesadores, una tarea computacional se divide en partes que los diferentes núcleos ejecutan simultáneamente.

Para mantener la sincronía entre los procesadores trabajando en paralelo, los núcleos necesitan comunicarse. Esto se lleva a cabo hoy en día por medio de señales eléctricas que se transmiten por hilos metálicos. “La comunicación mediante señales lumínicas resolvería el problema de la velocidad y la disipación de calor”, dice Wiederhecker. “Pero, para eso, debemos reinventar multiplexores, enrutadores, filtros y otros componentes de las redes de fibras ópticas a una escala de algunos cientos de nanómetros”.

Por estos días, Wiederhecker y sus colegas trabajan en la creación de nanosciladores mecánicos impulsados y sincronizados por luz. “En el interior de las computadoras hay un cristal de cuarzo que oscila, acoplado a un circuito eléctrico”, aclara. “El oscilador funciona como un metrónomo, sincronizando las operaciones de los componentes de la computadora, tales como el procesador, la memoria y la placa de video. Pretendemos construir una estructura nanométrica que vibre al recibir una señal luminosa”.

Cada vez menores
Wiederhecker y otros investigadores estiman que esa integración microscópica de la electrónica con el láser posibilitará la miniaturización de los dispositivos que utilizan la luz para exámenes médicos y análisis químicos. Actualmente, la mayoría de estos aparatos se emplean en laboratorios, pero el uso de chips fotónicos aliado a otras tecnologías podría permitir el desarrollo de equipos baratos y portátiles, que puedan transportarse a cualquier sitio.

“Hay algunos obstáculos que aún impiden que esa tecnología se transforme en una realidad, aunque se los está sorteando rápidamente”, sostiene Vilson R. Almeida, investigador que estudia aplicaciones de la fotónica en el monitoreo biológico y aeroespacial en el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) y en el Instituto de Estudios Avanzados (IEAv), ambos vinculados al Departamento de Ciencia y Tecnología Aeroespacial, ligado al Comando de la Aeronáutica. Almeida formó parte de un equipo internacional que desarrolló un dispositivo compuesto por estructuras nanométricas en un chip de silicio, capaz de transmitir luz solamente en una dirección. El trabajo fue tapa de la revista Nature Materials, en 2013.

Trayectos lumínicos: Omar Florez Penaloza prepara un experimento para medir la dispersión de la luz en el Laboratorio de Fibras Ópticas de la Unicamp

Eduardo CesarTrayectos lumínicos: Omar Florez Penaloza prepara un experimento para medir la dispersión de la luz en el Laboratorio de Fibras Ópticas de la UnicampEduardo Cesar

Uno de esos obstáculos, explica Almeida, es el uso del silicio como base de los chips comerciales electrónicos y fotónicos. A pesar de que transmite bien la luz, el silicio no genera ni detecta la luz de una manera eficiente. “Se ha demostrado que existen soluciones tales como el uso de materiales híbridos, a los cuales se los está perfeccionando y estarían disponibles comercialmente en tres años”, estima.

Uno de los nanomateriales más prometedores que se integrarían a los chips nanofotónicos de silicio son los denominados puntos cuánticos, especialidad del físico Lázaro Padilha, de la Unicamp. Son pequeños gránulos con menos de 10 nanómetros de diámetro, elaborados con diversos materiales semiconductores. Al ajustarse el tamaño y las propiedades del material que los compone, los puntos cuánticos pueden transformar la electricidad en luz, funcionando como potentes lámparas de LED microscópicas, y la industria electrónica ya ha lanzado monitores de pantalla plana con altísima resolución, fabricados con puntos cuánticos. Padilha participó en un estudio que se publicó en 2013 en la revista Nature Communications, en el cual los investigadores muestran cómo se eleva desde un 0,2% hasta aproximadamente un 8% la eficiencia con la que los puntos cuánticos transforman la electricidad en luz.

Si se realizan otros ajustes, los puntos cuánticos también pueden efectuar la operación inversa: la transformación de la luz en electricidad, funcionando como diminutos paneles solares. “Suelo decirles a mis alumnos que la célula solar y el LED son el mismo animal, pero puesto de cabeza”, dice Padilha. “En unos 20 ó 30 años”, estima, “el tejado y las ventanas de las casas, el capó de los automóviles, todo se recubrirá con una capa de materiales que funcionarán como paneles solares microscópicos de alta eficiencia, convirtiendo la luz solar en energía eléctrica”.

Proyectos
1. Aplicaciones de pulsos de femtosegundos en óptica no lineal: espectroscopia, formateo de pulsos y microfabricación (nº 2011/12399-0); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Cleber Renato Mendonça (IFSC-USP); Inversión R$ 1.181.820,00
2. Óptica cuántica e información cuántica en chips de silicio (nº 2011/ 12140-6); Modalidad Beca en el Exterior – Investigación; Investigador responsable Paulo Alberto Nussenzveig (IF-USP); Inversión R$ 105.116,00
3. Espectroscopia avanzada en nuevos nanomateriales (nº 2013/ 16911-2); Modalidad Programa Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable Lázaro Aurélio Padilha Junior; Inversión R$ 2.658.400,00
4. Nanofotónica en semiconductores del Grupo IV y III-V (nº 2012/ 17765-7); Modalidad Programa Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable Gustavo Silva Wiederhecker (Unicamp); Inversión R$ 1.113.640,00
5. Procesos de dispersión de la luz en microestructuras fotónicas (nº 2013/ 20180-3); Modalidad Programa Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable Paulo Clóvis Dainese Júnior (Unicamp); Inversión R$ 1.219.080,00.

Artículos científicos
LAWRENCE, D. et al. Non-reciprocal phase shift induced by an effective magnetic flux for light. Nature Photonics. 3 ago. 2014.
FENG, L. et al. Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at optical frequencies. Nature Materials. 25 nov. 2012.
BAE, W. K. et al. Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes. Nature Communications. 25 oct. 2013.

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