Un nuevo interruptor óptico se puede encender y apagar miles de millones de veces por segundo - y es notablemente pequeño.
El dispositivo consta de conmutadores individuales que son sólo uno de cinco centésima parte del grosor de un cabello humano (200 nanómetros) de diámetro. Este tamaño es mucho menor que la actual generación de conmutadores ópticos y se rompe fácilmente uno de los principales obstáculos técnicos a la propagación de los dispositivos electrónicos que detectan y control de la luz: La miniaturización del tamaño de conmutadores ópticos ultrarrápidos.
El interruptor ultrarrápido está hecha de un material artificial diseñado para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza. En este caso, el "metamaterial" se compone de partículas a nanoescala de dióxido de vanadio (VO2) - un sólido cristalino que puede cambiar rápidamente de ida y vuelta entre una fase opaca, metalizada, y una fase transparente, semiconductores - que se depositan en un sustrato de vidrio y recubierto con una "nanomalla" de pequeñas nanopartículas de oro.
Los científicos informan en la revista Nano Letters que baña estas nanopartículas doradas con breves pulsos de un láser ultrarrápido genera electrones calientes en el nanomesh oro que saltar en el dióxido de vanadio y hacen que se someten a su cambio de fase en una billonésima de segundo.
"Nos habíamos desencadenado previamente esta transición en nanopartículas de dióxido de vanadio directamente con láseres y queríamos ver si podíamos hacerlo con electrones también", dice Richard Haglund, un profesor de física en la Universidad de Vanderbilt, quien dirigió el estudio. "No sólo funciona, pero la inyección de electrones calientes de las nanopartículas de oro también desencadena la transformación con una quinta a una décima parte de entrada de energía requerida por el resplandor del láser directamente sobre el desnudo VO2."
Tanto la industria como el gobierno están invirtiendo fuertemente en los esfuerzos por integrar la óptica y la electrónica, ya que se considera generalmente que es el siguiente paso en la evolución de las tecnologías de información y comunicaciones.
Intel, Hewlett-Packard e IBM han estado construyendo los chips con el aumento de la funcionalidad óptica para los últimos cinco años que operan a velocidades de gigahertz, una milésima parte del interruptor de VO2.
"Detectores de dióxido de vanadio tienen una serie de características que los hacen ideales para aplicaciones en optoelectrónica", dice Haglund.Además de su alta velocidad y su pequeño tamaño, que:
- Es totalmente compatible con la tecnología actual de circuitos integrados, ambos chips basados en silicio y los nuevos materiales de "alta-K dieléctricas" que la industria de semiconductores está desarrollando para continuar con el proceso de miniaturización que ha sido un aspecto importante del desarrollo de la tecnología de la microelectrónica.
- Operar en la región visible y del infrarrojo cercano del espectro que es óptima para aplicaciones de telecomunicaciones.
- Generar una cantidad de calor por operación que es lo suficientemente bajo como para que los interruptores pueden ser embalados con fuerza suficiente para hacer que los dispositivos prácticos: unos diez billonésima de calorías (100 femtojoules) por poco.
"Sorprendentes propiedades del dióxido de vanadio se conocen desde hace más de medio siglo. . . . Es sólo en los últimos años que los estudios computacionales intensivas han iluminado la física que subyace en su transición-semiconductor-metal ", dice Haglund.
Científicos de la Universidad de Alabama-Birmingham y el Laboratorio Nacional de Los Alamos trabajaron en el proyecto. Las subvenciones de la Agencia de Reducción de Amenazas-Defensa, el Departamento de Energía, Departamento de Educación de EE.UU., y la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. ayudaron a apoyar la investigación.
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