Se ve un láser fuerte iluminando un material en una cámara de baja temperatura. El láser se utiliza para cambiar el grado de transparencia del material. Crédito: Laboratorio Caltech / David Hsieh
Imagínese ventanas que pueden convertirse fácilmente en espejos o computadoras de alta velocidad que no funcionan con electrones sino con luz. Estas son solo algunas de las aplicaciones potenciales que pueden surgir de la ingeniería óptica, la práctica de usar láseres para cambiar rápida y temporalmente las propiedades de los materiales.
“Estas herramientas pueden permitirle transformar las propiedades electrónicas de los materiales con solo tocar un interruptor de luz”, dice el profesor de física de Caltech, David Hsieh. «Pero las tecnologías se han visto limitadas por el problema de los láseres que crean demasiado calor en los materiales».
En un nuevo estudio en Naturaleza, Hsieh y su equipo, incluido el autor principal y estudiante de posgrado Junyi Shan, informan sobre el éxito en el uso de láseres para esculpir dramáticamente las propiedades de los materiales sin producir un exceso de calor dañino.
“Los láseres necesarios para estos experimentos son muy potentes, por lo que es difícil no calentar y dañar los materiales”, dice Shan. “Por un lado, queremos que el material se someta a una luz láser muy intensa. Por otro lado, no queremos que el material absorba luz. «
El equipo encontró un «punto óptimo» alrededor de esto, dice Shan, donde la frecuencia del láser se ajusta para cambiar notablemente las propiedades del material sin transmitir ningún calor no deseado.
Junyi Shan. Crédito: Caltech
Los científicos también dicen que han encontrado un material ideal para demostrar este método. El material, un semiconductor llamado trisulfuro de manganeso y fósforo, absorbe naturalmente solo una pequeña cantidad de luz en una amplia gama de frecuencias infrarrojas. Para sus experimentos, Hsieh, Shan y sus colegas utilizaron intensos pulsos de láser infrarrojo, cada uno con una duración de entre 10 y 13 segundos, para cambiar rápidamente la energía de los electrones dentro del material. Como resultado, el material cambió de un estado muy opaco a un estado muy transparente para ciertos colores de luz.
Aún más crítico, dicen los investigadores, es que el proceso es reversible. Cuando se apaga el láser, el material vuelve instantáneamente a su estado original completamente ileso. Esto no sería posible si el material hubiera absorbido la luz láser y la hubiera calentado, ya que el material tardaría mucho tiempo en disipar el calor. La manipulación sin calor utilizada en el nuevo proceso se conoce como «ingeniería óptica coherente».
El método funciona porque la luz altera las diferencias entre los niveles de energía de los electrones en el semiconductor (llamados intervalos de banda) sin poner los propios electrones en diferentes niveles de energía, que es lo que genera calor.
David Hsieh. Crédito: Caltech
“Es como si tuvieras un bote y luego llega una gran ola y balancea el bote vigorosamente hacia arriba y hacia abajo sin que ninguno de los pasajeros se caiga”, explica Hsieh. «Nuestro láser equilibra vigorosamente los niveles de energía del material, y esto altera las propiedades de los materiales, pero los electrones permanecen estacionarios».
Los investigadores ya han teorizado cómo funcionaría este método. Por ejemplo, en la década de 1960, el ex estudiante de Caltech Jon H. Shirley (PhD ’63) propuso ideas matemáticas sobre cómo resolver los niveles de energía de los electrones en un material en presencia de luz. Basado en este trabajo, el equipo de Caltech de Hsieh colaboró con los teóricos de UC Santa Bárbara Mengxing Ye y Leon Balents para calcular los efectos esperados de la iluminación láser sobre el trisulfuro de manganeso y fósforo. La teoría combinó los experimentos con «notables» precisión, dice Hsieh.
Los hallazgos, dice Hsieh, significan que otros investigadores ahora pueden usar la luz para crear materiales artificialmente, como imanes cuánticos exóticos, que de otro modo serían difíciles o incluso imposibles de crear de forma natural.
“En principio, este método puede cambiar las propiedades ópticas, magnéticas y muchas otras propiedades de los materiales”, dice Shan. “Esta es una forma alternativa de hacer ciencia de materiales. En lugar de fabricar nuevos materiales para obtener diferentes propiedades, podemos tomar solo un material y, en última instancia, darle una amplia gama de propiedades útiles. «
Referencia: «Modulación gigante de la no linealidad óptica por ingeniería de floquet» por Jun-Yi Shan, M. Ye, H. Chu, Sungmin Lee, Je-Geun Park, L. Balents y D. Hsieh, 8 de diciembre de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04051-8
El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército; la Fundación David y Lucile Packard; la National Science Foundation a través del Institute for Quantum Information and Matter en Caltech y a través de UC Santa Barbara; la Fundación Gordon y Betty Moore; y la Fundación Nacional de Investigación de Corea. Otros autores incluyen a Hao Chu (PhD ’17), así como Sungmin Lee y Je-Geun Park de la Universidad Nacional de Seúl.
