Los científicos capturan la luz en un cuasicristal polimérico: nuevas posibilidades para el diseño de sensores y láser

Los científicos de la Universidad ITMO han realizado varios experimentos para investigar cuasicristales poliméricos que finalmente confirmaron su teoría inicial. En el futuro, el uso de cuasicristales puede abrir nuevas posibilidades para el diseño de sensores y láser. Este artículo fue publicado en Materiales ópticos avanzados.

Los cristales son sólidos con una estructura periódica, es decir, cuando los átomos se desplazan, ocupan el lugar exacto de otros átomos, en los que estos últimos estaban antes del desplazamiento. Este hecho se demostró científicamente a principios del siglo XX. Dio origen a la física moderna del estado sólido y también sentó las bases para el desarrollo de tecnologías de semiconductores.

“Computadoras, teléfonos inteligentes, bombillas LED, láseres: todo lo que no podemos imaginar en nuestra vida cotidiana”, dice Mikhail Rybin, profesor asociado de la Facultad de Física e Ingeniería de ITMO, “fue diseñado gracias al hecho de que entendemos la naturaleza de la estructura cristalina de los materiales semiconductores. La teoría de las estructuras periódicas nos permite concluir que las ondas, ya sean de luz, electrones o sonido, solo pueden moverse de dos maneras. O la onda se propaga hacia adelante en el cristal o se desvanece rápidamente en las frecuencias de la llamada banda prohibida. No hay otras opciones y simplifica enormemente las leyes de propagación de partículas al tiempo que facilita las tareas de ingeniería ”.

Sin embargo, algunos dispositivos requieren que el cristal no transmita la onda y tampoco la extinga, sino que la retenga en sí misma durante algún tiempo; se necesita algo así como una “trampa” de luz.

“Por ejemplo, para el funcionamiento del láser o los sensores, la onda debe atravesar el área de trabajo del dispositivo varias veces para mejorar la eficiencia de su interacción con un elemento activo”, explica Mikhail Rybin. “Es especialmente crucial crear una“ trampa ”para la luz porque es muy difícil mantenerla en un área pequeña. Es un importante desafío tecnológico para la física moderna ”.

Cuanto más grande, mejor

Idealmente, todo el material debería asumir el papel de “trampa”, porque cuanta más luz se capture, más eficiente será la interacción de la onda con la sustancia activa. Sin embargo, en el caso de un cristal, no es posible. Como se dijo anteriormente, solo puede extinguir la ola o dejarla pasar.

“Alternativamente, existe la posibilidad de localizar la luz en estructuras desordenadas, por ejemplo, en polvos”, señala Mikhail Rybin. “Sin embargo, no podemos lograr la reproducibilidad en tales sistemas. En una muestra, las partículas se organizaron de una manera y de otra, de manera completamente diferente. Para las tareas aplicadas, se necesita algo adecuado para la producción en masa de los mismos dispositivos ”.

También hay una tercera vía. Podemos utilizar un tipo intermedio de materiales en los que las partículas no forman retículas periódicas, como ocurre en los cristales, pero al mismo tiempo tienen un ordenamiento matemáticamente estricto. Estas estructuras se llaman cuasicristales, fueron descubiertas en la década de 1980 y han sido estudiadas por físicos desde entonces.

“Dado que no hay periodicidad en los cuasicristales”, dice Mikhail Rybin, “tampoco hay restricción de que la onda pueda pasar directamente sin pérdida o desaparecer rápidamente. Un artículo publicado en 2017 predijo el fenómeno de la localización de la luz en estructuras cuasicristalinas, y tuvimos que confirmarlo experimentalmente ”.

Es más fácil decirlo que hacerlo

Durante casi 40 años de estudio de los cuasicristales, los físicos han entendido su estructura y han aprendido a modelarla en una computadora. El problema es que estos cuasicristales no son tan fáciles de sintetizar a nivel micro.

“Ahí es cuando el desarrollo de la tecnología viene a nuestro rescate”, dice Artem Sinelnik, estudiante de doctorado en el Departamento de Física e Ingeniería. “En nuestra facultad, hay una configuración para nanoimpresión tridimensional, donde un vóxel (el volumen mínimo de impresión – Ed. ITMO.NEWS) es de aproximadamente medio micrón, que es cien veces más pequeño que un cabello humano. Con su ayuda, creamos la estructura de un cuasicristal con una distribución estructurada compleja del material en un espacio tridimensional ”.

Después de crear las muestras, los científicos comenzaron su estudio preliminar. Analizaron la calidad de la superficie con un microscopio electrónico. Luego, procedieron a las mediciones ópticas para confirmar que la capacidad interna de la muestra realmente tiene una estructura cuasicristalina.

“Después de eso, hicimos un experimento”, explica el coautor del trabajo, Artem Sinelnik, “se envió un pulso de luz corto al cuasicristal y se midió el llamado resplandor. Al final resultó que, la luz sale de nuestras muestras con un retraso, es decir, la onda se mantiene dentro durante bastante tiempo. Por lo tanto, hemos confirmado la capacidad de capturar la luz en un cuasicristal de polímero tridimensional “.

Perspectivas

Por ahora, el trabajo es únicamente fundamental. Demuestra las principales propiedades ópticas de los cuasicristales poliméricos, creados mediante el uso de nanoimpresión tridimensional, y su capacidad para localizar la luz. Sin embargo, como señalan los autores, el estudio puede aplicarse en el futuro.

“Por ejemplo, normalmente un láser se diseña basándose en el hecho de que tenemos un medio activo en el que la luz se localiza a través de un resonador externo suficientemente grande”, explica Mikhail Rybin. “En este trabajo, hemos demostrado que un cuasicristal puede combinar las funciones de un medio activo y un resonador en una sola estructura”.

Referencia: “Observación experimental de la localización de luz intrínseca en cuasicristales icosaédricos fotónicos” por Artem D. Sinelnik, Ivan I. Shishkin, Xiaochang Yu, Kirill B. Samusev, Pavel A. Belov, Mikhail F. Limonov, Pavel Ginzburg y Mikhail V. Rybin , 22 de septiembre de 2020, Materiales ópticos avanzados.
DOI: 10.1002 / adom.202001170