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Se necesitarán nuevos dispositivos que mejoren la interacción entre fotones y electrones e integren funciones eléctricas y fotónicas a nanoescala a medida que los humanos entren en una nueva era de la informática. Los investigadores han creado una novedosa nanocavidad semiconductora III-V que confina la luz a niveles por debajo del llamado límite de difracción, lo que marca un paso importante hacia el logro de este objetivo.
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Las nanocavidades con volúmenes de modo ultrapequeños son prometedoras para mejorar una amplia gama de dispositivos y tecnologías fotónicas, desde láseres y LED hasta comunicaciones y sensores cuánticos, al tiempo que abren oportunidades en nuevas áreas como la computación cuántica. Por ejemplo, las fuentes de luz basadas en estas nanocavidades podrían mejorar significativamente la comunicación al permitir una transmisión de datos más rápida y un consumo de energía muy reducido.
Meng Xiong, técnico académico, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Fotónica, Fotónica Láser y Cuántica, Universidad Técnica de Dinamarca
en el diario Materiales ópticos expresoLos investigadores muestran que su nueva nanocavidad tiene un volumen modo que es un orden de magnitud menor que el mostrado anteriormente en materiales III-V. Los semiconductores III-V tienen propiedades especiales que los hacen adecuados para dispositivos optoelectrónicos.
El importante confinamiento espacial de la luz demostrado en este trabajo mejora la interacción entre la luz y la materia, lo que permite mayores potencias de LED, umbrales láser más bajos y una mayor eficiencia de fotón único.
Xiong añadió: “Las fuentes de luz basadas en estas nuevas nanocavidades podrían tener un impacto importante en los centros de datos y las computadoras, donde las conexiones resistivas y que consumen mucha energía podrían ser reemplazadas por conexiones ópticas de alta velocidad y baja potencia. También podrían usarse en técnicas de imágenes avanzadas, como la microscopía de superresolución, para permitir una mejor detección de enfermedades y un mejor seguimiento del tratamiento o para mejorar los sensores para diversas aplicaciones, incluida la vigilancia medioambiental y la seguridad alimentaria.«
Aumento de la interacción de la luz.
La investigación la llevan a cabo científicos del NanoPhoton, Centro de Nanofotónica de la Universidad Técnica de Dinamarca. Su objetivo es estudiar una nueva clase de cavidades ópticas dieléctricas que permiten un confinamiento profundo de la luz por debajo de la longitud de onda utilizando un concepto que llaman Confinamiento Dieléctrico Extremo (EDC).
Las cavidades EDC podrían conducir a computadoras altamente eficientes con láseres de sublongitud de onda profunda y fotodetectores integrados en transistores que reducen el consumo de energía al mejorar la interacción entre la luz y la materia.
En el estudio actual, los investigadores primero construyeron una cavidad EDC en el fosfuro de indio (InP) semiconductor III-V utilizando una técnica matemática metódica que relajó las restricciones geométricas y optimizó la topología. Luego utilizaron grabado seco y litografía por haz de electrones para construir la estructura.
“Las nanocavidades de EDC tienen tamaños característicos de tan solo unos pocos nanómetros, lo cual es fundamental para lograr una concentración de luz extrema, pero también exhiben una sensibilidad significativa a las variaciones de fabricación. Atribuimos la realización exitosa de la cavidad a la precisión mejorada de la plataforma de fabricación InP, que se basa en la litografía por haz de electrones y el posterior grabado en seco.—añadió Xiong.
Creando una nanocavidad más pequeña
La segunda fase de optimización topológica se basó en que los investigadores lograran un tamaño de característica dieléctrica relativamente pequeño de 20 nm refinando el método de fabricación. Después de un ciclo de optimización final, el volumen modal de la nanocavidad fue de sólo 0,26 (λ/2n)³, donde λ es la longitud de onda de la luz y n es su índice de refracción.
Esta potencia es cuatro veces menor que lo que comúnmente se conoce como el volumen limitado por difracción de una nanocavidad, que corresponde a una caja de luz con una longitud lateral de la mitad de la longitud de onda.
Los investigadores señalan que, si bien el silicio ha creado recientemente cavidades con propiedades similares, los semiconductores III-V exhiben transiciones directas de banda a banda, lo que no ocurre con el silicio. Estas transiciones son necesarias para aprovechar la mejora de Purcell que proporcionan las nanocavidades.
Xiong concluyó: “Antes de nuestro trabajo, no estaba claro si se podrían lograr resultados similares en los semiconductores III-V, ya que no se benefician de las técnicas de fabricación avanzadas desarrolladas para la industria electrónica del silicio.«
Actualmente, los investigadores están intentando reducir aún más el volumen del modo aumentando la precisión de fabricación. Para crear un nanoláser o nanoLED útil, también quieren utilizar las cavidades EDC.
Referencia de la revista:
Xiong, M., et. Alabama. (2024) Realización experimental del confinamiento de luz profundo por debajo de la longitud de onda en una nanocavidad de InP con topología optimizada. Materiales ópticos expreso. doi:10.1364/OME.513625.
Fuente: http://www.optica.org/
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