Los científicos crean el cristal fotónico no lineal más grande hasta la fecha

Su control sin precedentes de la luz conducirá a avances en las comunicaciones, las imágenes médicas y la computación cuántica.

Un estudio reciente informó sobre la fabricación exitosa del cristal fotónico no lineal 3D más grande.

Los cristales fotónicos no lineales son materiales con un patrón repetitivo cuyas propiedades ópticas cambian según la intensidad de la luz incidente o la fuerza del campo electromagnético aplicado. Cuanto más grande es el cristal fotónico, más sensible es.

Este logro permite un control sin precedentes sobre la emisión y propagación de la luz, lo que podría conducir a importantes avances en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos e innovaciones en las comunicaciones, las imágenes médicas y la computación cuántica.

A pesar de su potencial, producir estos cristales es un desafío porque los materiales que normalmente se utilizan para fabricarlos son químicamente inertes. Esto dificulta la fabricación y disposición efectiva de sus estructuras cristalinas fotónicas a escala industrial.

Una nueva forma de fabricar grandes cristales fotónicos

El estudio actual explora nuevas formas de producir grandes cristales fotónicos no lineales que superen las limitaciones de dos métodos comúnmente utilizados: el procesamiento con láser y su cultivo a partir de pequeñas semillas de cristal.

Para crear el cristal fotónico, el equipo añadió titanato de bario, un material conocido por sus propiedades ópticas no lineales, a un sustrato especial mediante spin-coating, una técnica utilizada para aplicar películas delgadas uniformes a sustratos planos.

El proceso implica aplicar una pequeña cantidad de material de recubrimiento líquido al centro del sustrato, que luego se hace girar rápidamente a altas velocidades. La fuerza centrífuga extiende el líquido hacia afuera, formando una capa delgada y uniforme sobre toda la superficie.

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A continuación, colocaron un molde de silicona del tamaño de una micra encima de la capa de titanato de bario para crear un patrón de celosía 2D en su superficie, que luego se trató térmicamente para eliminar cualquier disolvente y evitar que el titanato de bario se derritiera mientras se apilaba el molde. Siguiente capa.

El último paso fue rellenar el espacio entre las barras con un material especial que permitiera colocar la siguiente capa encima sin destruir la estructura periódica de la capa anterior.

Después de ensamblar varias capas, cada una girada en un ángulo de 90 grados entre sí, la preparación se somete a un tratamiento térmico final para eliminar todo el exceso de material, dejando solo la estructura deseada similar a una pila de leña. El acero está formado por titanato de bario policristalino de alta temperatura y luego con una fase tetragonal dentro de las estructuras.

Utilizando microscopía óptica y electrónica, el equipo pudo confirmar que el cristal resultante tenía la periodicidad necesaria para emitir luz en las longitudes de onda correctas. Descubrieron que la calidad de la estructura cristalina era similar a la que se podía lograr mediante el procesamiento láser.

«por primera vez, [we] Puede medir el cambio periódico de [properties of] «Generó luz en un cristal fotónico no lineal 3D fabricado de abajo hacia arriba», dijo en un correo electrónico Viola Valentina Vogler-Neuling de ETH Zurich y la Universidad de Friburgo, una de las autoras principales del estudio.

Y continúa: «Además, pudimos fabricar cristales fotónicos no lineales en 3D que son dos veces más grandes que los de última generación». “Prevemos que estas estructuras se conviertan en fuentes de luz (cuánticas) de múltiples longitudes de onda muy estrechas. [promising breakthroughs in optical sensing, information transfer, and quantum computing]».

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¿Hacia dónde ahora?

A pesar del importante avance, los investigadores creen que aún se pueden realizar más mejoras. Su experimento carecía de la precisión necesaria para garantizar que el ángulo entre varillas de diferentes capas fuera exactamente de 90 grados, lo que afectó sólo ligeramente a la periodicidad del cristal. Además, las capas estaban ligeramente torcidas, lo que también afectaba a sus propiedades ópticas. Los científicos creen que estos problemas se pueden resolver con equipos más precisos.

El equipo espera materiales que respondan mejor a los campos electromagnéticos que el titanato de bario. Si se encontraran, los cristales no lineales fabricados a partir de ellos podrían emitir luz en las longitudes de onda deseadas de manera más eficiente.

Referencia: Viola Valentina Vogler Newling, et al., Cristales fotónicos no lineales 3D fabricados a gran escala desde abajo hacia arriba, Investigación fotónica avanzada (2024). doi: 10.1002/adpr.202400058

Crédito de la imagen destacada: Viola Valentina Vogler Newling et al.

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