Según el último número de la revista Nature Nanotechnology, investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz en Austria, la Universidad de Harvard y la Universidad de Texas en Austin han desarrollado una nueva estructura de metasuperficie que combina capas semiconductoras con nanoestructuras, logrando aumentar la eficiencia de conversión de luz en aproximadamente 72.000 veces en comparación con materiales anteriores. Este avance podría impulsar el desarrollo de las telecomunicaciones y las tecnologías cuánticas.
Las redes modernas de comunicación por fibra óptica utilizan las propiedades de propagación lineal de la luz para transmitir información. Sin embargo, para aplicaciones como la computación compleja, las tecnologías cuánticas y la criptografía cuántica, así como los peines de frecuencia óptica utilizados en mediciones de alta precisión, la propagación lineal de la luz por sí sola no es suficiente; se requiere utilizar la polarización no lineal para que los fotones puedan interactuar entre sí e intercambiar información.
Tradicionalmente, se utilizan estructuras cristalinas como el niobato de litio para lograr el acoplamiento no lineal de ondas de luz. Sin embargo, este método requiere un volumen de material relativamente grande y una alta energía luminosa, lo que limita la miniaturización y las aplicaciones de los dispositivos relacionados. El punto de partida de esta investigación fue un material semiconductor especial desarrollado por el equipo. Utilizando la técnica de epitaxia por haces moleculares, prepararon capas semiconductoras de arseniuro de galio y arseniuro de aluminio y galio a escala nanométrica, que contienen pozos cuánticos acoplados asimétricamente. Los pozos cuánticos pueden restringir el movimiento de los electrones, formando niveles de energía cuantizados. Debido al diseño asimétrico de los pozos cuánticos, los electrones tienden a moverse en una dirección al ser iluminados. La oscilación electrónica no lineal resultante puede hacer que diferentes ondas de luz interactúen de manera más eficiente.
Sin embargo, para aprovechar al máximo este material, la luz debe propagarse en dirección paralela a la capa semiconductora. Para resolver este problema, el equipo construyó una metasuperficie sobre la capa semiconductora. La metasuperficie está compuesta por nanopilares de dióxido de titanio dispuestos en un patrón de tablero de ajedrez, cada uno de solo unos cientos de nanómetros de tamaño. Esta puede cambiar la dirección de propagación de la luz, haciendo que esta se propague a lo largo de la capa semiconductora, aprovechando así al máximo las propiedades no lineales del material.
Los experimentos revelaron que cuando la luz incide perpendicularmente sobre el dispositivo, debido a la simetría de la estructura geométrica, los campos de luz se cancelan entre sí, haciendo casi imposible generar el segundo armónico. Los investigadores solo necesitan inclinar el dispositivo aproximadamente 0,3 grados para romper esta simetría, permitiendo que la polarización no lineal se genere de manera eficiente.
Una mayor eficiencia de conversión significa que en el futuro será posible fabricar dispositivos ópticos de menor tamaño y menor consumo energético, como reducir el consumo de energía en la transmisión de información entre computadoras dentro de centros de datos. Esta tecnología también podría aplicarse en campos como la fotónica integrada y el procesamiento de datos a gran escala.