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Física

Un circuito de luz

Un material formado por nanopartículas de oro puede alterar las propiedades del láser dando origen a un transistor fotónico

Un cristal de nanopartículas de oro, en una vista obtenida con un microscopio óptico

Niclas Mueller/Universidad Libre de Berlín

Las partículas sumamente pequeñas de ciertos metales pueden exhibir un comportamiento inusual cuando se encuentran dispuestas muy cerca y a distancias muy regulares entre sí en el interior de un cristal. Un grupo de físicos alemanes y brasileños, utilizando partículas de oro con un diámetro de tan solo 60 nanómetros (nm), unas mil veces menores que el grosor de un cabello, lograron producir cristales con una propiedad muy especial. Cuando un haz de luz láser atraviesa uno de esos cristales, las partículas de luz (fotones) interactúan con las partículas que poseen carga eléctrica negativa (electrones) que componen la materia con una intensidad nunca observada antes en otro material. La obtención de este efecto, que fue descrito en un artículo publicado el 29 de julio en la revista Nature, hace posible que esos cristales puedan dar origen, por ejemplo, a transistores de control lumínico o células solares más eficientes que las disponibles en la actualidad.

Los científicos pudieron elevar en gran medida la intensidad de la interacción entre las partículas de luz individuales no confinadas y las partículas de la materia ajustando el tamaño de las nanopartículas y la distancia entre ellas. En el régimen de interacción que se obtuvo ahora, denominado profundamente fuerte, los fotones y los electrones dejan momentáneamente de exhibir las características individuales que los definen y, durante un lapso de fracciones de segundo, actúan como una nueva entidad: partículas de luz y materia denominadas polaritones con propiedades singulares.

“Durante la interacción, la partícula de luz se une a la de la materia de manera similar a como lo hacen los átomos en una molécula”, compara el físico teórico Eduardo Barros, de la Universidad Federal de Ceará (UFC). Barros es uno de los autores de los cálculos que orientaron la producción de ese cristal especial, creado por el equipo del fisicoquímico Holger Lange, de la Universidad de Hamburgo, y testeado por el grupo de la física Stephanie Reich, de la Universidad Libre de Berlín, ambas en Alemania. “Las propiedades del sistema compuesto por el fotón y el electrón son diferentes a las propiedades de cada una de esas partículas en forma individual, así como las de una molécula de agua son distintas a las que presentan en forma aislada los átomos de hidrógeno y oxígeno”, explica Barros.

La combinación de partículas de luz y materia suscita el interés de los científicos porque abre el camino hacia el desarrollo de tecnologías potencialmente más veloces y eficientes desde el punto de vista energético. Un ejemplo práctico que se imagina para los nuevos cristales es lo que se denomina circuitos fotónicos, que podrían equipar a una nueva generación de computadoras. En ellos, los códigos (0 y 1) del lenguaje binario de las computadoras serían codificados mediante el bloqueo o el paso de fotones, y no de electrones, tal como ocurre en los dispositivos actuales. Otra aplicación factible que se prevé es el uso de esos cristales en filmes para la fabricación de células solares capaces de captar las partículas de luz y transformarlas en electricidad con mayor eficiencia que la de los dispositivos fotovoltaicos existentes hoy en día.

Estas y otras aplicaciones potenciales se deben al hecho de que los cristales concebidos por el equipo de Hamburgo son, al menos en teoría, capaces de alterar de manera importante las propiedades de la luz, tales como la velocidad y el sentido de desplazamiento. Los fotones son una de las raras partículas elementales que no poseen masa, razón por la cual también son las más veloces que existen. Cuanto mayor es la masa de una partícula, más difícil es ponerla en movimiento o alterar su recorrido. En el vacío, los fotones se desplazan a 300 mil kilómetros por segundo, casi el tiempo que les lleva recorrer la distancia que separa a la Tierra de la Luna. En el interior del nuevo cristal, sin embargo, esta velocidad sería menor. Sucede que al interactuar tan intensamente con el electrón y formar un polaritón, el fotón pasa a comportarse como si también tuviera masa y se vuelve más lento.

Cuando la luz atraviesa el cristal, los fotones y los electrones interactúan en forma intensa y se comportan como si fueran una partícula nueva

Si los experimentos que deben realizarse muestran que es posible aumentar la interacción y frenar completamente a los fotones, el cristal podría funcionar, por ejemplo, como un transistor, ora permitiendo el paso de las partículas lumínicas, o bien, bloqueándolas. “Este es un material novedoso, con propiedades que nunca antes se habían obtenido. Si logramos controlarlas, pueden surgir muchas aplicaciones”, dice Barros.

Antes que los equipos de Hamburgo y Berlín, otros grupos que trabajan en Francia y en Alemania ya habían logrado producir en laboratorio una interacción profundamente fuerte entre los fotones y partículas de materia. Con todo, los experimentos requerían del uso de dispositivos complejos y caros, tales como cavidades ópticas y materiales superconductores, que necesitan mantenerse a temperaturas cercanas al cero grado Kelvin (-273,15 grados Celsius). “Tan solo unos pocos grupos de investigación altamente especializados eran capaces de realizar esos experimentos”, relata Reich, coordinadora de las pruebas con el nuevo material. “Nuestros cristales son sintetizados fácilmente y la interacción profundamente fuerte emerge naturalmente a medida que ellos se van formando”, explica la física.

El secreto para obtener esa propiedad consiste en controlar de manera muy precisa la forma y el tamaño de las nanopartículas de oro, además de la separación entre ellas. “Optimizamos la ruta de síntesis para obtener nanopartículas muy uniformes”, dice Langer, de la Universidad de Hamburgo. Las nanopartículas están revestidas por una capa de material plástico (poliestireno) y, cuando se las sumerge en una solución, se ordenan por sí mismas en estructuras cristalinas, a intervalos muy regulares entre sí. En la UFC, Barros y el físico Bruno Vieira, por entonces alumno de doctorado, realizaron simulaciones por computadora en las cuales ajustaban el tamaño, la forma de las nanopartículas y el número de capas que componían el interior del cristal. “Empezamos a notar efectos interesantes en las nanopartículas con diámetro mayor a 40 nm, pero en principio, sospechamos que se trataría de otra clase de fenómeno”, relata Vieira. Con base en los parámetros ideales detectados por el dúo en Ceará, el grupo de Hamburgo sintetizó el cristal siguiendo los pasos descritos en un artículo que salió publicado el 30 de julio en la revista Nature Communications y lo envió para que lo testearan en Berlín. Las mediciones efectuadas por Niclas Mueller, del equipo de Reich, produjeron valores para la interacción entre fotones y electrones casi idénticos a los obtenidos en las simulaciones.

“El régimen de interacción en el interior de esos cristales es el más fuerte que se ha podido obtener hasta ahora”, comenta el físico Celso Villas-Bôas, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), quien no participó del trabajo. La intensidad fue casi dos veces mayor que la verificada en los test con materiales superconductores y al menos 1 millón de veces superior a la que se midió en experimentos con fotones y electrones confinados en cavidades ópticas. Según Villas-Bôas, el uso de este tipo de cristal ofrece dos ventajas en comparación con las técnicas anteriores, lo que facilitará el desarrollo de aplicaciones: no requiere el confinamiento de la luz y se produce a temperatura ambiente.

Con todo, antes de que este cristal pueda utilizarse en un chip fotónico o en sensores de luz, habrá que realizar más pruebas. “Pretendemos fabricar cristales con características microscópicas distintas y combinar nanopartículas de oro con partículas que emiten luz activamente. También estamos empeñados en ir más allá en el análisis de las predicciones de lo que ocurre con los materiales en el régimen de interacción profundamente fuerte”, dice Reich. Una vez identificados el material y la propiedad más interesante desde el punto de vista tecnológico, el paso siguiente consistirá en optimizar la síntesis del cristal. “Necesitaremos elevar la escala de producción de nanopartículas y, al mismo tiempo, mantener la alta calidad de las mismas y optimizar el automontaje, para poder obtener cristales grandes y reproducibles”, proyecta Lange.

Artículos científicos
MUELLER, N. S. et al. Deep strong light-matter coupling in plasmonic nanoparticle crystals. Nature. 29 jul. 2020.
SCHULZ, F. et al. Structural order in plasmonic superlattices. Nature Communications. 30 jul. 2020.

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