Conmutación en nanosegundos por cambio de fase de metasuperficies con estado activado sintonizable

14 Mar, 2022 | LPG

Hacia los dispositivos fotónicos para computación: conmutación óptica.

Nanocompuestos y metasuperficies

Los nanocompuestos son sistemas artificiales compuestos por dos o más materiales en los que al menos uno de ellos forma estructuras con tamaño de nanómetros (nanoestructuras). Los nanocompuestos tienen propiedades únicas que no se encuentran en la naturaleza.
Los metamateriales a su vez son materiales artificiales formados por nanoestructuras que presentan propiedades electromagnéticas, térmicas o mecánicas inusuales que proceden de la nanoestructura diseñada y no de su composición. Los campos de aplicación de las metasuperficies están en constante crecimiento en áreas tecnológicas clave, como las comunicaciones, la energía, la catálisis y la medicina.
En concreto en campo de la nanofotónica el uso de metasuperficies formadas por nanoestructuras metálicas y dieléctricas ha permitido el control de la luz a escalas de nanómetros, permitiendo la manipulación y el procesado de la luz de formas imposibles de lograr con materiales naturales.

El estudio

En este trabajo, investigadores del Grupo de Procesado por Láser del IO y de la Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa han explorado una estrategia para conseguir conmutación óptica rápida y controlable en el tiempo mediante un láser de nanosegundos. La idea es usar una metasuperficie formada por nanoestructuras que puedan cambiar sus propiedades ópticas cuando el pulso láser interacciona con ellas, mientras que la lámina delgada donde están contenidas esta formada por un material transparente ópticamente pasivo y termo-mecánicamente estable y robusto. En este caso se han usado nanoestructuras que se funden al incidir el láser, y que luego al acabar el pulso láser vuelven a solidificar. El proceso que ocurre se denomina de cambio de fase sólido-líquido. Este enfoque es original ya que hasta ahora para obtener conmutación en nanotecnología se ha favorecido el uso de metasuperficies en las que las nanoestructuras eran estables mientras que la lámina que las contenía era que cambiaba de fase. En esta nueva configuración se pueden diseñar dispositivos mas flexibles en los que se pueden variar las láminas o combinarlas.
Para lograr nanoestructuras que puedan fundir (fase líquida) las han preparado de bismuto (Bi) que es un material que tiene un bajo punto de fusión (270 ° C) del bismuto, que permite desencadenar la transición de la fase sólido-líquido con un pulso láser de baja energía.
El modo de encendido (ON) se produce cuando se irradia la metasuperficie con un pulso láser de unos pocos nanosegundos. La energía depositada por el pulso láser induce la formación de la fase líquida Bi de las nanoestructuras y como consecuencia la que la metasuperficie refleja menos la luz. Una vez acabado el pulso láser se produce enfriamiento de las nanoestructuras Bi en escalas de tiempo de hasta cientos de nanosegundos, después de lo cual ocurre la solidificación de las nanoestructuras de Bi que genera el modo de apagado (OFF) que se observa por un aumento de la luz reflejada por la metasuperficie. El ciclo de cambio de fase sólido-líquido-sólido que dura cientos de nanosegundos define una ventana de estado encendido (ON) temporal, cuya duración depende tanto de la energía del láser como del diseño de la metasuperficie. Esta duración variable controlada del proceso de conmutación es muy interesante para para procesos de computación neuromorfica. Además, en el trabajo se muestra que el proceso de conmutación óptica ON-OFF basado en la metasuperficie de Bi es muy robusto ya que se puede repetir más de 10.000 veces de forma estable sin que se observe ningún dañado.
Los resultados que se muestran demuestran que esta metasuperficie es adecuada para el desarrollo de componentes de conmutación volátiles totalmente ópticos con velocidades de nanosegundos.

Una energía más baja conduce a una fase de TiO2 con una menor contribución de TiN, mientras que una fluencia más alta produce una mayor cantidad de TiN .

Metasuperficie aleatoria

Las metasuperficies utilizadas en este trabajo son metasuperficies aleatorias, pero ¿Qué es una metasuperficie aleatoria?

Usamos el término metasuperficie aleatoria para hacer referencia a metasuperficies en las que los elementos constituyentes se colocan aleatoriamente favoreciendo ciertas distribuciones de tamaño, densidad y orientación, por contraposición a las metasuperficies tradicionales formadas por elementos bien ordenados con un solo tamaño, densidad y orientación que habitualmente se fabrican utilizando costosas técnicas de litografía.

Propiedades del bismuto

El bismuto (Bi) destaca por su estructura electrónica particular y sus propiedades ópticas y termoelectrónicas. Hace poco tiempo se ha demostrado que su estructura presenta transiciones electrónicas interbanda gigantes en el infrarrojo medio. Estas transiciones para aplicaciones nanofotónicas son muy interesantes ya que dan lugar a que las nanoestructuras basadas en bismuto muestren un comportamiento dual, permitiendo tanto resonancias de tipo plasmónico en las regiones ultravioleta y visible del espectro, como resonancias de tipo Mie en el infrarrojo debido a su elevado índice de refracción. Además, el Bi muestra un excelente potencial para el desarrollo de componentes fotónicos activos reconfigurables como los de este estudio.

El trabajo es una colaboración entre el Laser Processing Group, Instituto de Óptica, IO-CSIC y el Departamento de Física, Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa
Referencia: Nanosecond Laser Switching of Phase-Change Random Metasurfaces with Tunable ON-State. Adv. Optical Mater. 2022, 10,

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