{"id":372315,"date":"2021-01-08T15:40:59","date_gmt":"2021-01-08T18:40:59","guid":{"rendered":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=372315"},"modified":"2021-01-08T15:40:59","modified_gmt":"2021-01-08T18:40:59","slug":"un-circuito-de-luz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/un-circuito-de-luz\/","title":{"rendered":"Un circuito de luz"},"content":{"rendered":"

Las part\u00edculas sumamente peque\u00f1as de ciertos metales pueden exhibir un comportamiento inusual cuando se encuentran dispuestas muy cerca y a distancias muy regulares entre s\u00ed en el interior de un cristal. Un grupo de f\u00edsicos alemanes y brasile\u00f1os, utilizando part\u00edculas de oro con un di\u00e1metro de tan solo 60 nan\u00f3metros (nm), unas mil veces menores que el grosor de un cabello, lograron producir cristales con una propiedad muy especial. Cuando un haz de luz l\u00e1ser atraviesa uno de esos cristales, las part\u00edculas de luz (fotones) interact\u00faan con las part\u00edculas que poseen carga el\u00e9ctrica negativa (electrones) que componen la materia con una intensidad nunca observada antes en otro material. La obtenci\u00f3n de este efecto, que fue descrito en un art\u00edculo publicado el 29 de julio en la revista Nature<\/em>, hace posible que esos cristales puedan dar origen, por ejemplo, a transistores de control lum\u00ednico o c\u00e9lulas solares m\u00e1s eficientes que las disponibles en la actualidad.<\/p>\n

Los cient\u00edficos pudieron elevar en gran medida la intensidad de la interacci\u00f3n entre las part\u00edculas de luz individuales no confinadas y las part\u00edculas de la materia ajustando el tama\u00f1o de las nanopart\u00edculas y la distancia entre ellas. En el r\u00e9gimen de interacci\u00f3n que se obtuvo ahora, denominado profundamente fuerte, los fotones y los electrones dejan moment\u00e1neamente de exhibir las caracter\u00edsticas individuales que los definen y, durante un lapso de fracciones de segundo, act\u00faan como una nueva entidad: part\u00edculas de luz y materia denominadas polaritones con propiedades singulares.<\/p>\n

\u201cDurante la interacci\u00f3n, la part\u00edcula de luz se une a la de la materia de manera similar a como lo hacen los \u00e1tomos en una mol\u00e9cula\u201d, compara el f\u00edsico te\u00f3rico Eduardo Barros, de la Universidad Federal de Cear\u00e1 (UFC). Barros es uno de los autores de los c\u00e1lculos que orientaron la producci\u00f3n de ese cristal especial, creado por el equipo del fisicoqu\u00edmico Holger Lange, de la Universidad de Hamburgo, y testeado por el grupo de la f\u00edsica Stephanie Reich, de la Universidad Libre de Berl\u00edn, ambas en Alemania. \u201cLas propiedades del sistema compuesto por el fot\u00f3n y el electr\u00f3n son diferentes a las propiedades de cada una de esas part\u00edculas en forma individual, as\u00ed como las de una mol\u00e9cula de agua son distintas a las que presentan en forma aislada los \u00e1tomos de hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno\u201d, explica Barros.<\/p>\n

La combinaci\u00f3n de part\u00edculas de luz y materia suscita el inter\u00e9s de los cient\u00edficos porque abre el camino hacia el desarrollo de tecnolog\u00edas potencialmente m\u00e1s veloces y eficientes desde el punto de vista energ\u00e9tico. Un ejemplo pr\u00e1ctico que se imagina para los nuevos cristales es lo que se denomina circuitos fot\u00f3nicos, que podr\u00edan equipar a una nueva generaci\u00f3n de computadoras. En ellos, los c\u00f3digos (0 y 1) del lenguaje binario de las computadoras ser\u00edan codificados mediante el bloqueo o el paso de fotones, y no de electrones, tal como ocurre en los dispositivos actuales. Otra aplicaci\u00f3n factible que se prev\u00e9 es el uso de esos cristales en filmes para la fabricaci\u00f3n de c\u00e9lulas solares capaces de captar las part\u00edculas de luz y transformarlas en electricidad con mayor eficiencia que la de los dispositivos fotovoltaicos existentes hoy en d\u00eda.<\/p>\n

Estas y otras aplicaciones potenciales se deben al hecho de que los cristales concebidos por el equipo de Hamburgo son, al menos en teor\u00eda, 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 part\u00edculas elementales que no poseen masa, raz\u00f3n por la cual tambi\u00e9n son las m\u00e1s veloces que existen. Cuanto mayor es la masa de una part\u00edcula, m\u00e1s dif\u00edcil es ponerla en movimiento o alterar su recorrido. En el vac\u00edo, los fotones se desplazan a 300 mil kil\u00f3metros 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 ser\u00eda menor. Sucede que al interactuar tan intensamente con el electr\u00f3n y formar un polarit\u00f3n, el fot\u00f3n pasa a comportarse como si tambi\u00e9n tuviera masa y se vuelve m\u00e1s lento.<\/p>\n

Cuando la luz atraviesa el cristal, los fotones y los electrones interact\u00faan en forma intensa y se comportan como si fueran una part\u00edcula nueva<\/p><\/blockquote>\n

Si los experimentos que deben realizarse muestran que es posible aumentar la interacci\u00f3n y frenar completamente a los fotones, el cristal podr\u00eda funcionar, por ejemplo, como un transistor, ora permitiendo el paso de las part\u00edculas lum\u00ednicas, o bien, bloque\u00e1ndolas. \u201cEste es un material novedoso, con propiedades que nunca antes se hab\u00edan obtenido. Si logramos controlarlas, pueden surgir muchas aplicaciones\u201d, dice Barros.<\/p>\n

Antes que los equipos de Hamburgo y Berl\u00edn, otros grupos que trabajan en Francia y en Alemania ya hab\u00edan logrado producir en laboratorio una interacci\u00f3n profundamente fuerte entre los fotones y part\u00edculas de materia. Con todo, los experimentos requer\u00edan del uso de dispositivos complejos y caros, tales como cavidades \u00f3pticas y materiales superconductores, que necesitan mantenerse a temperaturas cercanas al cero grado Kelvin (-273,15 grados Celsius). \u201cTan solo unos pocos grupos de investigaci\u00f3n altamente especializados eran capaces de realizar esos experimentos\u201d, relata Reich, coordinadora de las pruebas con el nuevo material. \u201cNuestros cristales son sintetizados f\u00e1cilmente y la interacci\u00f3n profundamente fuerte emerge naturalmente a medida que ellos se van formando\u201d, explica la f\u00edsica.<\/p>\n

El secreto para obtener esa propiedad consiste en controlar de manera muy precisa la forma y el tama\u00f1o de las nanopart\u00edculas de oro, adem\u00e1s de la separaci\u00f3n entre ellas. \u201cOptimizamos la ruta de s\u00edntesis para obtener nanopart\u00edculas muy uniformes\u201d, dice Langer, de la Universidad de Hamburgo. Las nanopart\u00edculas est\u00e1n revestidas por una capa de material pl\u00e1stico (poliestireno) y, cuando se las sumerge en una soluci\u00f3n, se ordenan por s\u00ed mismas en estructuras cristalinas, a intervalos muy regulares entre s\u00ed. En la UFC, Barros y el f\u00edsico Bruno Vieira, por entonces alumno de doctorado, realizaron simulaciones por computadora en las cuales ajustaban el tama\u00f1o, la forma de las nanopart\u00edculas y el n\u00famero de capas que compon\u00edan el interior del cristal. \u201cEmpezamos a notar efectos interesantes en las nanopart\u00edculas con di\u00e1metro mayor a 40 nm, pero en principio, sospechamos que se tratar\u00eda de otra clase de fen\u00f3meno\u201d, relata Vieira. Con base en los par\u00e1metros ideales detectados por el d\u00fao en Cear\u00e1, el grupo de Hamburgo sintetiz\u00f3 el cristal siguiendo los pasos descritos en un art\u00edculo que sali\u00f3 publicado el 30 de julio en la revista Nature Communications<\/em> y lo envi\u00f3 para que lo testearan en Berl\u00edn. Las mediciones efectuadas por Niclas Mueller, del equipo de Reich, produjeron valores para la interacci\u00f3n entre fotones y electrones casi id\u00e9nticos a los obtenidos en las simulaciones.<\/p>\n

\u201cEl r\u00e9gimen de interacci\u00f3n en el interior de esos cristales es el m\u00e1s fuerte que se ha podido obtener hasta ahora\u201d, comenta el f\u00edsico Celso Villas-B\u00f4as, de la Universidad Federal de S\u00e3o Carlos (UFSCar), quien no particip\u00f3 del trabajo. La intensidad fue casi dos veces mayor que la verificada en los test con materiales superconductores y al menos 1 mill\u00f3n de veces superior a la que se midi\u00f3 en experimentos con fotones y electrones confinados en cavidades \u00f3pticas. Seg\u00fan Villas-B\u00f4as, el uso de este tipo de cristal ofrece dos ventajas en comparaci\u00f3n con las t\u00e9cnicas anteriores, lo que facilitar\u00e1 el desarrollo de aplicaciones: no requiere el confinamiento de la luz y se produce a temperatura ambiente.<\/p>\n

Con todo, antes de que este cristal pueda utilizarse en un chip fot\u00f3nico o en sensores de luz, habr\u00e1 que realizar m\u00e1s pruebas. \u201cPretendemos fabricar cristales con caracter\u00edsticas microsc\u00f3picas distintas y combinar nanopart\u00edculas de oro con part\u00edculas que emiten luz activamente. Tambi\u00e9n estamos empe\u00f1ados en ir m\u00e1s all\u00e1 en el an\u00e1lisis de las predicciones de lo que ocurre con los materiales en el r\u00e9gimen de interacci\u00f3n profundamente fuerte\u201d, dice Reich. Una vez identificados el material y la propiedad m\u00e1s interesante desde el punto de vista tecnol\u00f3gico, el paso siguiente consistir\u00e1 en optimizar la s\u00edntesis del cristal. \u201cNecesitaremos elevar la escala de producci\u00f3n de nanopart\u00edculas y, al mismo tiempo, mantener la alta calidad de las mismas y optimizar el automontaje, para poder obtener cristales grandes y reproducibles\u201d, proyecta Lange.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/strong>
\nMUELLER, N. S. et al.<\/em> Deep strong light-matter coupling in plasmonic nanoparticle crystals<\/a>. Nature<\/strong>. 29 jul. 2020.
\nSCHULZ, F. et al.<\/em> Structural order in plasmonic superlattices<\/a>. Nature Communications<\/strong>. 30 jul. 2020.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un material formado por nanopart\u00edculas de oro puede alterar las propiedades del l\u00e1ser dando origen a un transistor fot\u00f3nico","protected":false},"author":16,"featured_media":371942,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","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":[181],"tags":[304],"coauthors":[105],"class_list":["post-372315","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/372315","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\/16"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=372315"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/372315\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":372316,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/372315\/revisions\/372316"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/371942"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=372315"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=372315"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=372315"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=372315"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}