{"id":208785,"date":"2016-01-11T18:43:19","date_gmt":"2016-01-11T20:43:19","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=208785"},"modified":"2016-01-11T18:45:31","modified_gmt":"2016-01-11T20:45:31","slug":"un-futuro-brillante","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/un-futuro-brillante\/","title":{"rendered":"Un futuro brillante"},"content":{"rendered":"

\"016-023_Capa<\/a>En el lapso de una d\u00e9cada, las computadoras, tablets<\/em> y celulares sufrir\u00e1n una transformaci\u00f3n invisible impulsada por la luz. En apariencia, no ser\u00edan muy diferentes. Sin embargo, funcionar\u00e1n m\u00e1s r\u00e1pido y consumir\u00e1n menos energ\u00eda el\u00e9ctrica gracias a un nuevo conjunto de tecnolog\u00edas destinadas a manipular la luz a escala microsc\u00f3pica. Las nuevas tecnolog\u00edas ya permiten la fabricaci\u00f3n de los denominados chips nanofot\u00f3nicos de silicio. Al igual que los chips de silicio convencionales, los nanofot\u00f3nicos est\u00e1n elaborados con componentes electr\u00f3nicos microsc\u00f3picos. La diferencia radical reside en que, en lugar de estar integrados por circuitos de hilos met\u00e1licos, encargados de la transmisi\u00f3n de las se\u00f1ales el\u00e9ctricas, los componentes del nuevo chip se comunican mediante se\u00f1ales lum\u00ednicas, de l\u00e1ser, para ser espec\u00edficos. La ventaja de los pulsos lum\u00ednicos sobre los el\u00e9ctricos radica en que transportan mayor cantidad de informaci\u00f3n en menor tiempo. En el caso de los chip nanofot\u00f3nicos, el intercambio de informaci\u00f3n se producir\u00e1, pr\u00e1cticamente, sin conversi\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica en calor.<\/p>\n

Los chips con elementos nanofot\u00f3nicos ya forman parte de los programas de investigaci\u00f3n de multinacionales del \u00e1rea de la electr\u00f3nica y existen como prototipo. Cuando se encuentren listos para su comercializaci\u00f3n, constituir\u00e1n, en principio, un aporte a las supercomputadoras de los principales centros de datos del mundo. \u201cTodav\u00eda quedan problemas de f\u00edsica b\u00e1sica y de ingenier\u00eda por resolver\u201d, dice Gustavo Wiederhecker, f\u00edsico de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien estudia la interacci\u00f3n de la luz con los materiales nanom\u00e9tricos. \u201cNo obstante, en alg\u00fan momento, el costo de producci\u00f3n se reducir\u00e1 y la nanofot\u00f3nica podr\u00e1 pasar a formar parte de la vida cotidiana de la gente.<\/p>\n

\u201cLos avances recientes de la nanofot\u00f3nica son impresionantes, pero nada de eso es tan revolucionario como el l\u00e1ser\u201d, explica Paulo Nussenzveig, f\u00edsico de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP) y experto en \u00f3ptica cu\u00e1ntica. Nussenzveig colabora desde 2012 con el equipo de la f\u00edsica Michal Lipson en la Universidad Columbia, en Estados Unidos, en la exploraci\u00f3n de los fen\u00f3menos cu\u00e1nticos de la luz en los chips nanofot\u00f3nicos. Durante el a\u00f1o pasado, el grupo public\u00f3 un art\u00edculo en la revista Nature Photonics<\/em> donde demostraba c\u00f3mo podr\u00eda utilizarse un efecto magn\u00e9tico cu\u00e1ntico para conducir la luz a trav\u00e9s de un canal microsc\u00f3pico en un chip de silicio. \u201cEl l\u00e1ser constituy\u00f3 el cambio de paradigma que permiti\u00f3 el desarrollo de todas las tecnolog\u00edas emergentes a partir de all\u00ed\u201d, dice Nussenzveig, quien en julio de este a\u00f1o abord\u00f3 los avances recientes en su \u00e1rea en el workshop<\/em> intitulado Light: Life & Science, que se realiz\u00f3 en S\u00e3o Carlos, en el interior de S\u00e3o Paulo, para celebrar el A\u00f1o Internacional de la Luz, una iniciativa de la Organizaci\u00f3n de las Naciones Unidas para elevar la conciencia de la gente acerca de la importancia de la fot\u00f3nica, la ciencia y tecnolog\u00eda del control de la luz, que posibilit\u00f3 la invenci\u00f3n del l\u00e1ser y de la fibra \u00f3ptica que actualmente conecta las computadoras con el mundo exterior (observe la l\u00ednea del tiempo<\/a><\/em>).<\/p>\n

\"016-023_Capa<\/a><\/p>\n

Luz concentrada
\n<\/strong>La invenci\u00f3n del l\u00e1ser s\u00f3lo fue posible gracias al final del debate hist\u00f3rico sobre la verdadera naturaleza f\u00edsica de la luz, que caduc\u00f3 al comienzo del siglo XX. Fen\u00f3menos nuevos que involucraban a la materia (\u00e1tomos y electrones) y a la luz, reci\u00e9n fueron comprendidos en su totalidad con el desarrollo de la teor\u00eda de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. En concordancia con esa teor\u00eda, un haz de luz est\u00e1 compuesto por billones de fotones, entidades elementales cuya naturaleza es ambigua, pudiendo comportarse a veces como ondas, o bien como part\u00edculas.<\/p>\n

En 1916, Albert Einstein calcul\u00f3 que, en las circunstancias adecuadas, la presencia de un fot\u00f3n en las proximidades de un \u00e1tomo \u201cexcitado\u201d \u2012es decir, listo para emitir \u00e9l mismo un fot\u00f3n\u2012 estimular\u00eda en ese \u00e1tomo la emisi\u00f3n de un fot\u00f3n id\u00e9ntico. En los a\u00f1os 1950, varios cient\u00edficos intentaron emplear ese efecto para la creaci\u00f3n de lo que se denomin\u00f3 como l\u00e1ser, acr\u00f3nimo en ingl\u00e9s para la amplificaci\u00f3n de la luz por emisi\u00f3n estimulada de radiaci\u00f3n. El ingeniero estadounidense Theodore Maiman fue el primero que produjo un dispositivo capaz de emitir un l\u00e1ser con \u00e9xito, en 1960.<\/p>\n

El poder del l\u00e1ser se basa en la sincron\u00eda de sus fotones. A diferencia de las fuentes de luz natural y artificial, cuyos \u00e1tomos emiten fotones en tiempos, frecuencias y direcciones diferentes, los \u00e1tomos de un generador de l\u00e1ser emiten fotones en sincron\u00eda, con la misma frecuencia y en la misma direcci\u00f3n. Un haz de luz l\u00e1ser que se utiliza para soldar o cortar chapas de metal, por ejemplo, emite fotones con la misma potencia que una l\u00e1mpara casera de 100 vatios. La diferencia radica en que el haz l\u00e1ser permite concentrar toda esa potencia sobre un \u00e1rea muy peque\u00f1a.<\/p>\n

El l\u00e1ser tambi\u00e9n transform\u00f3 la investigaci\u00f3n b\u00e1sica y les brind\u00f3 la posibilidad a los f\u00edsicos de explorar la denominada \u00f3ptica no lineal, la especialidad de Cleber Mendon\u00e7a, de la USP de S\u00e3o Carlos. \u201cEsta \u00e1rea estudia los fen\u00f3menos \u00f3pticos que s\u00f3lo aparecen cuando la intensidad de la luz es muy alta\u201d, explica el f\u00edsico.<\/p>\n

Cuando se enfoca un haz de luz l\u00e1ser muy intenso sobre un punto de un material, ocurre lo siguiente en la regi\u00f3n aleda\u00f1a al foco: las propiedades \u00f3pticas del material, as\u00ed como su capacidad para reflejar o refractar la luz, son modificadas por el l\u00e1ser y, consecuentemente, la luz del l\u00e1ser resulta transformada por el material, alterando sus frecuencias de oscilaci\u00f3n, por ejemplo.<\/p>\n

Junto a su equipo de la USP, Mendon\u00e7a estudi\u00f3 esos efectos no lineales para la elaboraci\u00f3n de estructuras micro y nanom\u00e9tricas en vidrios y pol\u00edmeros org\u00e1nicos que los investigadores intentan tornar compatibles con el silicio. En tanto, el grupo del f\u00edsico Paulo Dainese, de la Unicamp, investiga el modo en que los efectos no lineales podr\u00edan mejorar la manipulaci\u00f3n de la informaci\u00f3n codificada en pulsos luminosos conducidos a trav\u00e9s de fibras \u00f3pticas.<\/p>\n

Las fibras \u00f3pticas son canales flexibles elaborados con un vidrio muy homog\u00e9neo y transparente, capaces de conducir las se\u00f1ales luminosas a trav\u00e9s de largas distancias casi sin p\u00e9rdida de energ\u00eda. En la actualidad, m\u00e1s de mil millones de kil\u00f3metros de fibras \u00f3pticas conectan a las computadoras del globo, algo que ser\u00eda imposible de realizar con cables de transmisi\u00f3n de se\u00f1ales el\u00e9ctricas, que se propagan mediante la oscilaci\u00f3n de los electrones en un hilo de metal. Esa excitaci\u00f3n de los electrones provoca la p\u00e9rdida de mucha energ\u00eda, que generalmente se transforma en calor. En tanto, los fotones, si se los compara con los electrones, pr\u00e1cticamente no pierden energ\u00eda durante ese proceso.<\/p>\n

Dainese explica que una \u00fanica fibra \u00f3ptica puede transmitir m\u00faltiples mensajes codificados simult\u00e1neamente en se\u00f1ales lum\u00ednicas, merced a unos componentes \u00f3pticos denominados multiplexores, que combinan haces de luz con frecuencias diferentes, puesto que cada frecuencia lum\u00ednica transmite un mensaje. \u201cA veces, en telecomunicaciones, se necesita pasar un mensaje transmitido de un canal de frecuencia a otro\u201d, comenta Dainese. \u201cEso actualmente se realiza convirtiendo la se\u00f1al codificada en cierta frecuencia lum\u00ednica en una se\u00f1al el\u00e9ctrica y, retransmiti\u00e9ndola posteriormente en otra frecuencia de luz, pero estamos evaluando el modo de utilizar efectos no lineales para eliminar esa etapa el\u00e9ctrica, que resulta lenta y onerosa\u201d.<\/p>\n

Del mismo modo que se redujo dr\u00e1sticamente el costo de la transmisi\u00f3n de la informaci\u00f3n a largas distancias con el empleo de fibras \u00f3pticas en lugar de cables el\u00e9ctricos, lleg\u00f3 la hora de hacer lo mismo en los chips de computadoras. \u201cEn un pasado reciente, los microchips eran muy compactos y tan s\u00f3lo dispon\u00edan de un \u00fanico n\u00facleo de procesamiento de cientos de micrones de extensi\u00f3n\u201d, explica Wiederhecker. \u201cEsto se modific\u00f3 en los \u00faltimos 15 a\u00f1os con el surgimiento de procesadores con varios n\u00facleos, que trabajan en paralelo\u201d. En esos procesadores, una tarea computacional se divide en partes que los diferentes n\u00facleos ejecutan simult\u00e1neamente.<\/p>\n

Para mantener la sincron\u00eda entre los procesadores trabajando en paralelo, los n\u00facleos necesitan comunicarse. Esto se lleva a cabo hoy en d\u00eda por medio de se\u00f1ales el\u00e9ctricas que se transmiten por hilos met\u00e1licos. \u201cLa comunicaci\u00f3n mediante se\u00f1ales lum\u00ednicas resolver\u00eda el problema de la velocidad y la disipaci\u00f3n de calor\u201d, dice Wiederhecker. \u201cPero, para eso, debemos reinventar multiplexores, enrutadores, filtros y otros componentes de las redes de fibras \u00f3pticas a una escala de algunos cientos de nan\u00f3metros\u201d.<\/p>\n

Por estos d\u00edas, Wiederhecker y sus colegas trabajan en la creaci\u00f3n de nanosciladores mec\u00e1nicos impulsados y sincronizados por luz. \u201cEn el interior de las computadoras hay un cristal de cuarzo que oscila, acoplado a un circuito el\u00e9ctrico\u201d, aclara. \u201cEl oscilador funciona como un metr\u00f3nomo, sincronizando las operaciones de los componentes de la computadora, tales como el procesador, la memoria y la placa de video. Pretendemos construir una estructura nanom\u00e9trica que vibre al recibir una se\u00f1al luminosa\u201d.<\/p>\n

Cada vez menores
\n<\/strong>Wiederhecker y otros investigadores estiman que esa integraci\u00f3n microsc\u00f3pica de la electr\u00f3nica con el l\u00e1ser posibilitar\u00e1 la miniaturizaci\u00f3n de los dispositivos que utilizan la luz para ex\u00e1menes m\u00e9dicos y an\u00e1lisis qu\u00edmicos. Actualmente, la mayor\u00eda de estos aparatos se emplean en laboratorios, pero el uso de chips fot\u00f3nicos aliado a otras tecnolog\u00edas podr\u00eda permitir el desarrollo de equipos baratos y port\u00e1tiles, que puedan transportarse a cualquier sitio.<\/p>\n

\u201cHay algunos obst\u00e1culos que a\u00fan impiden que esa tecnolog\u00eda se transforme en una realidad, aunque se los est\u00e1 sorteando r\u00e1pidamente\u201d, sostiene Vilson R. Almeida, investigador que estudia aplicaciones de la fot\u00f3nica en el monitoreo biol\u00f3gico y aeroespacial en el Instituto Tecnol\u00f3gico de Aeron\u00e1utica (ITA) y en el Instituto de Estudios Avanzados (IEAv), ambos vinculados al Departamento de Ciencia y Tecnolog\u00eda Aeroespacial, ligado al Comando de la Aeron\u00e1utica. Almeida form\u00f3 parte de un equipo internacional que desarroll\u00f3 un dispositivo compuesto por estructuras nanom\u00e9tricas en un chip de silicio, capaz de transmitir luz solamente en una direcci\u00f3n. El trabajo fue tapa de la revista Nature Materials<\/em>, en 2013.<\/p>\n

\"Trayectos

Eduardo Cesar<\/span>Trayectos lum\u00ednicos: Omar Florez Penaloza prepara un experimento para medir la dispersi\u00f3n de la luz en el Laboratorio de Fibras \u00d3pticas de la UnicampEduardo Cesar<\/span><\/p><\/div>\n

Uno de esos obst\u00e1culos, explica Almeida, es el uso del silicio como base de los chips comerciales electr\u00f3nicos y fot\u00f3nicos. A pesar de que transmite bien la luz, el silicio no genera ni detecta la luz de una manera eficiente. \u201cSe ha demostrado que existen soluciones tales como el uso de materiales h\u00edbridos, a los cuales se los est\u00e1 perfeccionando y estar\u00edan disponibles comercialmente en tres a\u00f1os\u201d, estima.<\/p>\n

Uno de los nanomateriales m\u00e1s prometedores que se integrar\u00edan a los chips nanofot\u00f3nicos de silicio son los denominados puntos cu\u00e1nticos, especialidad del f\u00edsico L\u00e1zaro Padilha, de la Unicamp. Son peque\u00f1os gr\u00e1nulos con menos de 10 nan\u00f3metros de di\u00e1metro, elaborados con diversos materiales semiconductores. Al ajustarse el tama\u00f1o y las propiedades del material que los compone, los puntos cu\u00e1nticos pueden transformar la electricidad en luz, funcionando como potentes l\u00e1mparas de LED microsc\u00f3picas, y la industria electr\u00f3nica ya ha lanzado monitores de pantalla plana con alt\u00edsima resoluci\u00f3n, fabricados con puntos cu\u00e1nticos. Padilha particip\u00f3 en un estudio que se public\u00f3 en 2013 en la revista Nature Communications<\/em>, en el cual los investigadores muestran c\u00f3mo se eleva desde un 0,2% hasta aproximadamente un 8% la eficiencia con la que los puntos cu\u00e1nticos transforman la electricidad en luz.<\/p>\n

Si se realizan otros ajustes, los puntos cu\u00e1nticos tambi\u00e9n pueden efectuar la operaci\u00f3n inversa: la transformaci\u00f3n de la luz en electricidad, funcionando como diminutos paneles solares. \u201cSuelo decirles a mis alumnos que la c\u00e9lula solar y el LED son el mismo animal, pero puesto de cabeza\u201d, dice Padilha. \u201cEn unos 20 \u00f3 30 a\u00f1os\u201d, estima, \u201cel tejado y las ventanas de las casas, el cap\u00f3 de los autom\u00f3viles, todo se recubrir\u00e1 con una capa de materiales que funcionar\u00e1n como paneles solares microsc\u00f3picos de alta eficiencia, convirtiendo la luz solar en energ\u00eda el\u00e9ctrica\u201d.<\/p>\n

Proyectos<\/strong>
\n1.<\/strong> Aplicaciones de pulsos de femtosegundos en \u00f3ptica no lineal: espectroscopia, formateo de pulsos y microfabricaci\u00f3n (n\u00ba 2011\/12399-0<\/a>); Modalidad<\/strong> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador responsable<\/strong> Cleber Renato Mendon\u00e7a (IFSC-USP); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.181.820,00
\n2.\u00a0<\/strong>\u00d3ptica cu\u00e1ntica e informaci\u00f3n cu\u00e1ntica en chips de silicio (n\u00ba 2011\/ 12140-6<\/a>); Modalidad<\/strong> Beca en el Exterior \u2013 Investigaci\u00f3n; Investigador responsable<\/strong> Paulo Alberto Nussenzveig (IF-USP); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 105.116,00
\n3.\u00a0<\/strong>Espectroscopia avanzada en nuevos nanomateriales (n\u00ba 2013\/ 16911-2<\/a>); Modalidad<\/strong> Programa J\u00f3venes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable<\/strong> L\u00e1zaro Aur\u00e9lio Padilha Junior; Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 2.658.400,00
\n4.\u00a0<\/strong>Nanofot\u00f3nica en semiconductores del Grupo IV y III-V (n\u00ba 2012\/ 17765-7<\/a>); Modalidad<\/strong> Programa J\u00f3venes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable<\/strong> Gustavo Silva Wiederhecker (Unicamp); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.113.640,00
\n5.\u00a0<\/strong>Procesos de dispersi\u00f3n de la luz en microestructuras fot\u00f3nicas (n\u00ba 2013\/ 20180-3<\/a>); Modalidad<\/strong> Programa J\u00f3venes Investigadores en Centros Emergentes; Investigador responsable<\/strong> Paulo Cl\u00f3vis Dainese J\u00fanior (Unicamp); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.219.080,00.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/em>
\nLAWRENCE, D. et al.<\/em> Non-reciprocal phase shift induced by an effective magnetic flux for light<\/a>. Nature Photonics<\/strong>. 3 ago. 2014.
\nFENG, L. et al.<\/em> Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at optical frequencies<\/a>. Nature Materials<\/strong>. 25 nov. 2012.
\nBAE, W. K. et al.<\/em> Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes<\/a>. Nature Communications<\/strong>. 25 oct. 2013.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Los avances en la tecnolog\u00eda depender\u00e1n cada vez m\u00e1s del control de la luz ","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[179],"tags":[304],"coauthors":[103],"class_list":["post-208785","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tapa","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/208785","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=208785"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/208785\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=208785"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=208785"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=208785"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=208785"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}