Investigadores del Technion han desarrollado una nueva fuente de luz basada en una sola capa atómica. El descubrimiento se basa en la interacción de una sola capa atómica con matrices de nano antenas en un chip de silicio creando defectos en los cristales fotónicos.

Publicado en la revista Nature Nanotechnology, el desarrollo permite el control del giro de los fotones emitidos a partir de materia bidimensional y allana el camino para nuevos dispositivos fotónicos basados en “óptica de espín a escala atómica”.

El estudio se realizó en el grupo de investigación del profesor Erez Hasman, jefe del Laboratorio de Fotónica a Escala Atómica.

¿Qué son los materiales bidimensionales?

Según el profesor Koren, en 2004, la posibilidad de crear una sola capa atómica se examinó por primera vez cuando los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov, más tarde premios Nobel de Física (2010), desarrollaron un método simple para crear capas individuales de átomos de carbono.

Los dos pegaron papel adhesivo a un trozo de grafito y pelaron el material capa por capa hasta obtener una sola capa de átomos llamada grafeno.

También demostraron que la capa atómica de materia es muy diferente en sus propiedades de las propiedades de la materia en su forma tridimensional.

Este es un material 100 veces más fuerte que el acero y con propiedades eléctricas excepcionales, y según las estimaciones se espera que revolucione los conductores y semiconductores, monitores y pantallas células y solares .

Después de este descubrimiento, las capas atómicas se desarrollaron a partir de otros materiales y, de manera similar, exhiben propiedades sorprendentes y únicas”.

El profesor Hasman agregó y aclaró que, “como resultado del descubrimiento del grafeno, se han descubierto y estudiado muchos materiales bidimensionales, como varios semiconductores que permiten obtener interesantes propiedades ópticas.

Los chips electrónicos estándar están basados en silicio, lo que limita el desarrollo de la próxima generación de computadoras que requieren una combinación de electrónica y fotónica, en parte debido a la falta de una condición esencial llamada “brecha de energía directa” en el silicio.

Para nuestra sorpresa, la brecha de energía directa se descubrió en dos semiconductores dimensionales, lo que hace posible combinar fotónica y electrónica a escala nanométrica, utilizarlos para producir fuentes de luz y dispositivos fotónicos activos, y allanar el camino para futuras generaciones de chips”.

Para miniaturizar el chip electrónico y aumentar significativamente la velocidad de procesamiento y la tasa de transferencia de información, el enfoque actualmente aceptado es la espintrónica (realizar operaciones en un giro, una propiedad importante que caracteriza la rotación intrínseca de los electrones) y no en la corriente de los electrones.

En 2001, el profesor Hasman estableció un nuevo campo llamado óptica de espín, que hace posible utilizar el espín de fotones usando meta-superficies con el propósito de transmitir y procesar información en chips fotónicos.

La transferencia de información se basa en el control del espín fotónico con la ayuda de nano fotónica, óptica a escala nanométrica.

Los materiales semiconductores dimensionales, debido a la simetría de inversión rota de sus estructuras, poseen niveles de energía de electrones, caracterizados por un nuevo grado de libertad, el valle, que puede controlar la emisión de luz selectiva por espín.

Los investigadores de Israel decidieron aprovechar esta característica, creando una interacción de una sola capa atómica de tungsteno selenuro (WSe2) con nano antenas que permiten romper la simetría en el espín fotónico.

Esto dará como resultado un chip a escala atómica que controla y procesa la información del valle a través del giro fotónico.

Los investigadores desarrollaron una estructura de cristal fotónico bidimensional hecha de silicio que crea una brecha de energía en el espectro de emisión del material bidimensional de modo que el acoplamiento del semiconductor atómico al cristal fotónico bloquea todos los canales de emisión óptica desde el material bidimensional.

Al crear defectos inteligentes dentro del cristal fotónico, controlar la fase de los defectos con su geometría y acoplarlos, los investigadores crearon una fuente de luz a partir de una sola capa atómica que separa y clasifica los giros de los fotones emitidos desde el semiconductor bidimensional.

Este descubrimiento permitirá combinar la espintrónica y la óptica de espín para desarrollar una amplia gama de dispositivos a escala atómica.