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(noticias nanowerk) Los investigadores han desarrollado una nueva técnica para crear campos eléctricos estáticos en dispositivos a nanoescala utilizando únicamente luz. Este descubrimiento, publicado en Luz: ciencia y aplicaciones (“Generación totalmente óptica de un campo eléctrico estático en una única nanoantena semiconductora de metal”) podría permitir velocidades informáticas más rápidas y dispositivos nanofotónicos más versátiles.
En esencia, el procesamiento de datos se basa en la manipulación de corrientes y campos eléctricos. Pero a medida que los dispositivos se reducen a la escala nanométrica, controlar estas corrientes se vuelve cada vez más difícil. Los cables y los transistores no se pueden hacer infinitamente más pequeños, por lo que los científicos necesitan nuevos métodos para inducir fuerzas eléctricas en espacios microscópicos.
La luz ofrece una solución prometedora porque puede concentrar la energía hasta la escala nanométrica. En ciertos materiales como el silicio, la luz radiante crea cargas positivas y negativas separadas: un campo eléctrico. El desafío es aprovechar este campo fotoinducido en nanodispositivos.
Los investigadores ahora lo han logrado con nanopartículas híbridas de metal y semiconductores. Sus nanoantenas absorben la luz y crean fuertes campos estáticos en la unión entre el metal y el semiconductor. Lo crucial es que el campo se crea mediante la separación de cargas inherentes a la nanopartícula y no por una fuente de energía externa.
Para crear las nanoantenas, los investigadores combinaron litografía avanzada y procesamiento láser ultrarrápido. Esto dio como resultado nanodiscos de oro unidos a nanoconos de silicio cristalino mediante una fina capa de cromo. El disco enfocaba la luz sobre la interfaz metal-semiconductor, mientras que el silicio proporcionaba una alta movilidad de la carga.
Los brillantes pulsos de láser infrarrojo en las nanoantenas produjeron una fuerte luz de segundo armónico, lo que indica un fuerte campo eléctrico. A diferencia de la mayoría de los materiales, el silicio carece de la inherente no linealidad óptica de segundo orden. Sin embargo, al romper la simetría, el campo estático provocó la generación de un segundo armónico. Esto confirma la presencia y fuerza del campo ópticamente inducido.
![Nanomecánica inducida por láser para la fabricación de nanoestructuras metálicas/semiconductoras de alto índice de refracción](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63682_1.jpg)
En particular, la intensidad del segundo armónico aumentó mucho más rápido que la potencia de excitación, siguiendo una dependencia de la cuarta potencia. Tal crecimiento no lineal es el resultado de un efecto de segundo armónico inducido por campo eléctrico (EFISH) en el silicio, donde el campo estático interactúa con no linealidades ópticas de tercer orden. Los investigadores ajustaron la geometría de la nanoantena para maximizar esta contribución de EFISH desde la interfaz.
Las mediciones resueltas en el tiempo revelaron los resultados de campo que surgen del atrapamiento de electrones fotogenerados en la interfaz. Con potencias luminosas más altas, el campo alcanzó intensidades de alrededor de 100 megavoltios por metro. Para interpretar estos efectos ópticos no lineales, el equipo modeló la dinámica de los portadores de carga a nanoescala utilizando la aproximación de deriva-difusión. Esto cuantificó cómo la absorción de luz, la separación de cargas y el atrapamiento de superficies trabajan juntos para construir el campo estático.
Las propiedades electrónicas del silicio resultaron ser decisivas para esta generación de campos puramente ópticos. Su estructura de bandas permite una fotogeneración eficiente de electrones incluso con luz infrarroja. Al mismo tiempo, la alta movilidad permite el transporte a la unión metal-semiconductor antes de la recombinación. Allí, la curvatura de la banda localiza los electrones y crea un campo intenso.
Además de confirmar esta imagen mecanicista, las simulaciones también examinaron cómo las geometrías de las nanoantenas influyen en la respuesta de EFISH. Un contacto más estrecho entre el metal y el semiconductor aumentó la absorción de luz en la unión, lo que mejoró el campo estático y el crecimiento no lineal de la generación de segundos armónicos. Este efecto óptico no lineal afecta directamente al campo de la interfaz.
Aprovechando las ventajas del silicio, los investigadores lograron crear un campo eléctrico puramente óptico en un volumen a nanoescala. Este campo fotoinducido alcanza intensidades comparables a las aplicadas externamente en dispositivos microelectrónicos. El uso del campo a nanoescala podría permitir operaciones más rápidas y una mayor eficiencia energética.
El estudio demuestra una nueva plataforma versátil para dispositivos optoelectrónicos y procesamiento de señales en chips. En cada nanoantena, la luz controla la corriente. Disponer muchos de estos píxeles en un chip permitiría una manipulación puramente óptica de los nanocircuitos. Aunque todavía se encuentra en sus primeras etapas, existe la posibilidad de sustituir la electrónica por ordenadores ópticos más rápidos.
A corto plazo, la sensibilidad del campo eléctrico y la respuesta ultrarrápida de las nanoantenas pueden mejorar la detección y la obtención de imágenes. Caracterizar cómo la respuesta EFISH depende de la longitud de onda y la polarización mejorará la visualización del campo a nanoescala. Al ajustar las propiedades del silicio mediante dopantes y defectos, los investigadores también pueden optimizar la intensidad del campo fotoinducido.
Este avance es el resultado del desarrollo de la nanofotónica y la física de semiconductores en una única nanoestructura. Aunque se necesitan más avances, el estudio abre la puerta a nanodispositivos que integran la óptica y la electrónica de nuevas formas. El uso de silicio ofrece la oportunidad de integrar estas nanoantenas fotoactivas en los procesos de nanofabricación existentes. Con mayores avances, esta nueva funcionalidad optoelectrónica podría encontrar una amplia aplicación en telecomunicaciones, informática y campos relacionados.
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