Chips hechos de un nuevo material transmiten datos a la velocidad de la luz

Una nueva combinación de materiales puede guiar de manera eficiente la electricidad y la luz a lo largo del mismo cable diminuto, un hallazgo que podría ser un paso hacia la construcción de chips de computadora capaces de transportar información digital a la velocidad de la luz.

En un artículo publicado la semana pasada en la revista Optica, de The Optical Society of America (OSA), científicos ópticos y de materiales de la Universidad de Rochester (Nueva York) y del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich describen un modelo de circuito básico que consiste en un nanocable de plata y una lámina de una sola capa de disulfuro de molibdeno (MoS2).

Utilizando un láser para excitar unas ondas electromagnéticas llamadas plasmones en la superficie del cable, los investigadores descubrieron que la lámina de MoS2 en el extremo del cable generaba una fuerte emisión de luz. Yendo en la otra dirección, a medida que los electrones excitados se relajaban, eran recogidos por el cable y se convertían de nuevo en plasmones, que emitían luz en la misma longitud de onda.

"Hemos encontrado que hay una pronunciada interacción luz-materia a nanoescala entre los plasmones y el material de tamaño atómico, que puede ser explotada para crear circuitos nanofotónicos integrados", explica Nick Vamivakas, profesor asistente de óptica cuántica y de física cuántica en la Universidad de Rochester y autor principal del artículo, en la nota de prensa de la universidad.

Por lo general alrededor de un tercio de la energía restante debería perderse cada pocas micras (millonésimas de metro) que recorren los plasmones a lo largo del cable, explicó Kenneth Goodfellow, un estudiante de doctorado del Instituto de Óptica de Rochester y también autor principal del artículo. "Fue sorprendente ver que quedaba energía suficiente después del viaje de ida y vuelta", resalta.

Los dispositivos fotónicos pueden ser mucho más rápidos que los electrónicos, pero son más abultados ya que los dispositivos que enfocan la luz no pueden ser miniaturizados ni mucho menos tan bien como los circuitos electrónicos, explica Goodfellow. Los nuevos resultados son prometedores de cara a guiar la transmisión de la luz, y al mantenimiento de la intensidad de la señal, en dimensiones muy pequeñas.

Materiales

Desde el descubrimiento de grafeno, una capa simple de carbono que se puede extraer del grafito con cinta adhesiva, los científicos han estado explorando con presteza el mundo de los materiales de dos dimensiones. Estos materiales tienen propiedades únicas que no se ven en su forma bruta.

Al igual que el grafeno, el MoS2 se compone de capas que están débilmente unidas entre sí, por lo que se pueden separar fácilmente. En el MoS2 bruto, los electrones y los fotones interactúan como lo harían en semiconductores tradicionales como el silicio y el arseniuro de galio. A medida que el MoS2 se reduce a capas más y más finas, la transferencia de energía entre electrones y fotones se vuelve más eficiente.

La clave de las convenientes propiedades fotónicas del MoS2 está en la estructura de su banda prohibida de energía. Gracias a ella, los electrones se mueven con facilidad entre bandas de energía mediante la liberación de fotones. El grafeno es ineficiente en la emisión de luz porque no tiene banda prohibida.

La combinación de la electrónica y la fotónica en los mismos circuitos integrados podría mejorar drásticamente el rendimiento y la eficiencia de la tecnología móvil. Los investigadores dicen que el siguiente paso es probar su circuito primitivo con diodos emisores de luz.

Precedente

Investigadores del Instituto A*STAR de Computación de Alto Rendimiento de Singapur, con colegas de China y Estados Unidos, también han explorado las posibilidades del disulfuro de molibdeno.

Estiman que, mediante la adición de hidrógeno a una superficie de MoS2, algunas regiones de la superficie se pueden convertir en caminos metálicos. Estos caminos pueden transportar cargas eléctricas entre diferentes áreas de una nanolámina de MoS2, lo que permite la fabricación de circuitos electrónicos integrados.

Referencia bibliográfica:

Kenneth M. Goodfellow, Ryan Beams, Chitraleema Chakraborty, Lukas Novotny, A. Nick Vamivakas. Integrated nanophotonics based on wire plasmons and atomically-thin material. Optica (2014). http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.1.000149