¿Qué tan rápido se puede controlar un haz de luz? Investigadores del Caltech han desarrollado un diminuto dispositivo capaz de cambiar la dirección de un haz de luz en apenas 74 femtosegundos, una escala de tiempo tan pequeña que abre nuevas posibilidades para las comunicaciones ópticas, la computación y los sensores del futuro.
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| Chip fotónico de Caltech utilizado para controlar la luz en 74 femtosegundo |
Para ponerlo en perspectiva, un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo. En este experimento, el proceso ocurre tan rápido que la luz puede recorrer aproximadamente el grosor de un cabello humano durante ese intervalo.
¿Cómo consigue el chip mover la luz tan rápido?
La clave está en utilizar luz para controlar luz. En lugar de depender de una señal eléctrica convencional, el sistema emplea un potente haz de luz, llamado haz de bombeo, que modifica temporalmente las propiedades ópticas de una superficie especialmente diseñada.
Después, un segundo haz, más débil y utilizado como señal de prueba, atraviesa esa superficie. Como sus propiedades ópticas han cambiado durante un instante, el haz puede ser desviado siguiendo el patrón creado por la primera señal.
Este método evita uno de los principales problemas de muchas tecnologías actuales: el tiempo necesario para modificar electrónicamente las propiedades de un material.
El secreto está en una metasuperficie de silicio
Para conseguir que el efecto fuera suficientemente intenso, el equipo utilizó una metasuperficie de silicio formada por diminutos pilares fabricados a escala nanométrica.
Estas estructuras están diseñadas para controlar la forma en que la luz interactúa con el material. En lugar de atravesarlo rápidamente, la luz puede permanecer e interactuar con la metasuperficie durante un poco más de tiempo, aumentando el efecto óptico.
El resultado es un sistema capaz de modificar la dirección de otro haz de luz con una velocidad extraordinaria.
¿Qué es el efecto Kerr óptico?
El funcionamiento del dispositivo aprovecha un fenómeno conocido como efecto Kerr óptico. Cuando una luz suficientemente intensa atraviesa determinados materiales, puede provocar durante un instante un pequeño cambio en su índice de refracción.
Ese cambio modifica la manera en que la luz se propaga y permite controlar su trayectoria.
Una de las ventajas de este fenómeno es que la respuesta puede producirse extremadamente rápido. No es necesario esperar a que los electrones de un material pasen por procesos de excitación y relajación más lentos, como ocurre en determinados sistemas convencionales.
¿A qué velocidad puede dirigir la luz?
En sus experimentos, los investigadores consiguieron desviar el haz hasta 13 grados en solo 74 femtosegundos. Además, observaron que la velocidad alcanzada estaba relacionada con la duración del pulso láser empleado para activar el sistema.
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Chip fotónico desarrollado en Caltech durante una investigación sobre
el control de la luz |
Esto es importante porque sugiere que el límite observado no necesariamente está impuesto por la propia metasuperficie. Con fuentes de luz todavía más rápidas, podrían explorarse velocidades superiores.
¿Para qué podría servir esta tecnología?
Aunque se trata de una investigación experimental y todavía queda trabajo antes de convertirla en una tecnología comercial, sus posibles aplicaciones son especialmente interesantes.
- Comunicaciones ópticas: control más rápido de señales transportadas mediante luz.
- Computación fotónica: procesamiento de información utilizando fotones en lugar de depender exclusivamente de electrones.
- Sensores avanzados: sistemas capaces de detectar y procesar señales ópticas a velocidades extremadamente altas.
- Tecnologías ópticas reconfigurables: dispositivos capaces de modificar dinámicamente cómo se comporta la luz.
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Chip fotónico de Caltech utilizado en un experimento para controlar
la luz en solo 74 femtosegundos
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Un paso hacia una fotónica mucho más rápida
Lo más llamativo de este trabajo no es solamente la cifra de 74 femtosegundos, sino la posibilidad de controlar la luz utilizando otra luz sin depender directamente de una señal eléctrica.
Los investigadores consideran que este enfoque podría contribuir al desarrollo de nuevos sistemas fotónicos capaces de trabajar en escalas de tiempo extremadamente cortas, incluso en conceptos emergentes como los cristales de tiempo y otros materiales ópticos que cambian dinámicamente sus propiedades.
Por ahora, el avance pertenece al terreno de la investigación científica. Sin embargo, demuestra hasta dónde puede llegar el control de la luz cuando se combinan nanotecnología, metasuperficies y óptica ultrarrápida.
¿Por qué este descubrimiento es importante?
La electrónica convencional ha permitido construir dispositivos cada vez más rápidos, pero también existen límites relacionados con la velocidad con la que los materiales y sus electrones pueden responder.
La fotónica ofrece una alternativa porque la información puede transportarse mediante luz. Conseguir controlar esa luz de manera rápida, precisa y eficiente es uno de los grandes desafíos para las tecnologías que podrían llegar después de la electrónica convencional.
El trabajo de Caltech muestra una posible ruta: utilizar estructuras nanométricas para intensificar interacciones ópticas que normalmente serían demasiado débiles y aprovecharlas para dirigir un haz de luz en una fracción diminuta de segundo.
El estudio fue realizado por investigadores del California Institute of Technology (Caltech) y publicado en Nature Nanotechnology. El trabajo contó con apoyo de diferentes instituciones y programas de investigación científica.