Encuentran nuevas propiedades ópticas que podrían revolucionar la tecnología

Israel de León Arizpe, investigador en la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), en colaboración con otros dos investigadores de la Universidad de Ottawa y de la Universidad de Rochester, encontró nuevas propiedades de óptica no lineal en el óxido de indio y estaño, lo cual podría contribuir a mejorar el aprovechamiento y la aplicación de la fotónica que se encuentra presente en diversas tecnologías en la vida cotidiana, como en el Internet.

En entrevista, el especialista indicó que las aplicaciones de la fotónica dependen en gran medida de la llamada óptica no lineal, es decir, de la diferente forma en que se comportan los materiales en función de la intensidad de luz que pasa a través de ellos. Cuanto mayor es la no linealidad de un material, más aplicaciones tecnológicas puede tener.

Este grupo de investigadores, en el cual participa De León Arizpe, encontró que el óxido de indio y estaño tiene una no linealidad hasta mil veces mayor que la de otros materiales conocidos.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿En qué consistió su investigación?

Israel de León Arizpe (ILA): Una de las propiedades ópticas más importantes de los materiales es la permitividad. Ciertos materiales poseen una permitividad cercana a cero en un rango determinado de frecuencias. A estos materiales se les conoce como materiales con “épsilon cercana a cero”.

Las propiedades ópticas de estos materiales en su región “épsilon cercana a cero” son muy inusuales, y una de estas propiedades es la tendencia a presentar una respuesta óptica no lineal muy grande.

En nuestra investigación, estudiamos la respuesta óptica no lineal de uno de estos materiales. En particular, investigamos cómo el índice de refracción y absorción del material es afectado por la intensidad de la luz que es aplicada; también investigamos las características temporales del fenómeno no lineal.

El material que seleccionamos para esta investigación es el óxido de indio dopado con estaño (conocido como ITO, por sus siglas en inglés), el cual tiene una región “épsilon cercana a cero” en el rango infrarrojo de frecuencias (aproximadamente a una longitud de onda de mil 200 nanómetros).

Los resultados de nuestra investigación muestran que la respuesta óptica no lineal del ITO es sumamente grande y rápida; en particular, demostramos que la respuesta no lineal de este material en la región “épsilon cercana a cero” puede ser más grande que su respuesta lineal, lo cual no tiene precedente.

AIC: ¿Cómo realizaron la investigación?

ILA: La parte experimental de nuestra investigación consistió en emplear la técnica Z-scan para determinar el cambio del índice de refracción y de absorción del material en función de la intensidad de la luz.

La técnica Z-scan es una técnica muy popular para determinar estos parámetros. Consiste en enfocar un haz de luz láser usando un par de lentes y después trasladar la muestra a lo largo del haz de luz pasando por el foco.

De esta manera, la muestra es expuesta a diferentes intensidades (más intenso en el foco y menos intenso lejos de él) y mediante el análisis de la luz transmitida a través del material es posible determinar el cambio del índice de refracción y de absorción del material en función de la intensidad aplicada.

Estos experimentos se realizaron en un rango de frecuencias ópticas que abarcan la región “épsilon cercana a cero” del material.

También realizamos mediciones experimentales que nos permitieron determinar la rapidez de la respuesta no lineal del material. Para esto utilizamos una técnica conocida como pump-probe.

Esta técnica consiste en medir la transmisión de la luz a través del material utilizando un pulso ultracorto de luz láser de baja intensidad, mientras que un segundo pulso de alta intensidad es usado para inducir el efecto no lineal en el material.

Durante el experimento, el desplazamiento temporal entre los dos pulsos es controlado de una forma muy precisa para extraer la información dinámica de la respuesta no lineal.

La duración de los pulsos láser empleados en el experimento fue de 100 femtosegundos (un femtosegundo es una milbillonésima parte de un segundo). Esto se traduce a una precisión en nuestras mediciones temporales de 200 femtosegundos.

La parte teórica de nuestra investigación consistió en desarrollar un modelo fenomenológico que describe la magnitud de la respuesta no lineal y la información dinámica extraídas con nuestros experimentos.

El modelo desarrollado se basó en un análisis dinámico del calentamiento de los electrones libres del material, el cual resulta de la absorción de la energía de la luz láser por estos electrones y el subsecuente efecto que este calentamiento tiene en el índice de refracción y absorción del material.

AIC: ¿Qué resultados obtuvieron?

ILA: Nuestros resultados experimentales indican que la respuesta no lineal del ITO a frecuencias dentro de la región “épsilon cercana a cero” puede ser hasta mil veces más grande que la respuesta no lineal a frecuencias lejanas a esta región.

Esto quiere decir, por ejemplo, que a frecuencias en el rango infrarrojo de la luz, dentro de la región “épsilon cercana a cero” del material, uno puede observar cambios en el índice de refracción y en la absorción del material que son mil veces más grandes que aquellos observados a frecuencias en el rango visible de la luz.

Además, nuestros resultados muestran que la respuesta no lineal del ITO es sumamente rápida. Las mediciones experimentales obtenidas con la técnica pump-probe indican que el tiempo de la respuesta no lineal del material es de 200 femtosegundos o menos, y el tiempo de recuperación del material es de aproximadamente 360 femtosegundos.

Finalmente, nuestros resultados muestran que la magnitud de la respuesta no lineal del ITO en la región “épsilon cercana a cero” puede ser más grande que la magnitud de la respuesta lineal del material. En particular, demostramos que el cambio en el índice de refracción causado por la respuesta no lineal puede ser hasta 170 por ciento el valor lineal del índice de refracción.

AIC: ¿Por qué es importante el hallazgo?

ILA: Los resultados que obtuvimos son importantes por varias razones: primero, la magnitud de la respuesta no lineal que hemos observado establece un nuevo récord en la óptica no lineal.

Esta respuesta no lineal es cientos de veces más grande que la de semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs), el cual se considera como un material con una no linealidad muy grande; también es aproximadamente cinco veces más grande que la respuesta no lineal de metamateriales ópticos altamente no lineales desarrollados recientemente.

Segundo, porque la respuesta no lineal es sumamente rápida; por ejemplo, el tiempo de recuperación de 360 femtosegundos que hemos obtenido significa que este material podría ser utilizado para procesar información óptica a velocidades (o con un ancho de banda) mayores de 1.5 terahertz (THz).

Tercero, porque el cambio en el índice de refracción debido al fenómeno no lineal se traduce a 170 por ciento del valor lineal del índice de refracción. Esto es, el índice de refracción cambia de un valor de 0.4 (el valor lineal) a un valor máximo de 1.14. La magnitud de este cambio, así como la velocidad a la que este sucede, no tiene precedentes.

AIC: ¿Qué impacto tiene en la óptica?

ILA: Generalmente la magnitud de la respuesta no lineal de los materiales es muy pequeña comparada con la magnitud de la respuesta lineal. De hecho, la teoría de óptica no lineal que aprendemos en los libros de texto tradicionales tiene como premisa que la respuesta no lineal del material es solamente una perturbación a la respuesta lineal.

En cambio, nuestros resultados muestran claramente que este no es el caso en la región “épsilon cercana a cero”. Por esta razón, pienso que nuestra investigación introduce un nuevo paradigma en la óptica no lineal. Creo que estos resultados abren nuevas avenidas de investigación, tanto experimental y teórica, para entender mejor los mecanismos que dan pie a fenómenos ópticos no lineales no perturbativos, como el que hemos demostrado.

AIC: ¿Qué aplicaciones podría tener?

ILA: La aplicación más obvia es la de modulación de señales ópticas y procesamiento óptico de datos. Por ejemplo, al cambiar la absorción del material por medio de un pulso óptico de control, podemos modular la intensidad de una señal óptica. De manera similar, al cambiar el índice de refracción del material por medio de un pulso óptico de control, podemos modular la fase de la señal óptica.

De esta forma, podríamos desarrollar un switch óptico, cuyo estado (abierto o cerrado) es controlado por otra señal óptica. Este tipo de funcionalidad, es decir, el control óptico de señales por medio de otras señales ópticas (a diferencia del control de señales ópticas por medio de señales eléctricas) es indispensable en el desarrollo de dispositivos de procesamiento óptico de datos a muy alta velocidad.

AIC: ¿Cómo podría cambiar o impactar las tecnologías de la vida cotidiana, como los teléfonos inteligentes o el Internet, que están basadas en la fotónica?

ILA: Creo que es muy temprano para conocer el verdadero potencial que este material tiene para impactar las tecnologías de la vida cotidiana, ya que hay muchos otros factores que influencian el desarrollo de estas tecnologías. Sin embargo, pienso que este material tiene mucho potencial para desarrollar dispositivos nanofotónicos que pudieran ofrecer ventajas importantes a las formas tradicionales de manipulación de luz que se utilizan actualmente en estas tecnologías.

Fuente: CONACYT.