Un pulso de luz atraviesa un cabello humano en 74 femtosegundos. Eso es 74 cuatrillones de segundo. Apenas es un intervalo. Sin embargo, los investigadores de Caltech han hecho lo imposible. Redirigieron un rayo dentro de ese período de tiempo exacto utilizando la luz misma como señal de control.
Este no es un progreso incremental. Es un cambio fundamental en la forma en que manejamos los fotones. La nueva metasuperficie funciona sin la lenta relajación electrónica que afecta a la tecnología actual. Este avance allana el camino para sistemas fotónicos que abandonan las corrientes eléctricas para el procesamiento basado en luz pura. Imagine comunicaciones y sensores moviéndose a la velocidad del pensamiento. El hardware finalmente se está poniendo al día con la teoría.
Por qué la conmutación electrónica choca contra un muro
La mayoría de los dispositivos existentes controlan la luz jugando con los electrones. Piense en pantallas de cristal líquido o chips de telecomunicaciones. Empujan a los electrones a estados de mayor energía para alterar la trayectoria de la luz.
Aquí está el cuello de botella. Los electrones no se quedan quietos. Tienen que volver a su estado original. Liberan energía. Ese período de recuperación crea un retraso. Estamos atrapados en el ámbito de los nanosegundos o picosegundos. Billonésimas de segundo. Lento para los estándares ópticos.
Harry Atwater, profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencias de los Materiales en Caltech, lo expresó sin rodeos: “Dirigir la luz con luz es un gran desafío…” La luz generalmente ignora la materia. Interactúa débilmente. Pero el equipo de Atwater cambió el juego.
Utilizaron metasuperficies ópticas. Láminas ultrafinas nanodiseñadas para amplificar esa interacción débil. La eficiencia saltó. ¿El resultado? Obtienes dirección sin esperar.
El mecanismo de bomba y sonda
El laboratorio de Atwater buscó una escapatoria en torno al retardo electrónico. ¿La solución? Deshazte de la electricidad. Utilice en su lugar un pulso láser estampado.
Lo llaman la “bomba”. Estalla el material con una luz intensa. Esto altera temporalmente el comportamiento óptico del material. Es un cambio fugaz. Casi se ha ido antes de que parpadees.
Luego viene la “sonda”. Un rayo más débil viaja por el mismo lugar. El patrón de la bomba dicta hacia dónde va la sonda. La luz dirige la luz. Sin electrónica. Sin retraso.
Se basa en el efecto óptico Kerr. Un haz intenso desplaza los electrones dentro de sus orbitales. Sólo un poco. No pasan a niveles de energía nuevos y estables. No es necesario relajarse. El efecto comienza y termina con el pulso. Limpio. Rápido.
Pero hay un problema. El efecto Kerr es inherentemente débil. Demasiado débil para doblar significativamente una viga para un uso práctico. No se puede desviar el tráfico si las señales de tráfico son invisibles.
Fuerza de ingeniería a nanoescala
Para solucionar la señal débil, los investigadores construyeron algo complejo. Formaron silicio amorfo en una superficie meta-s. Esta superficie está cubierta de pilares a nanoescala. Más pequeño que la longitud de onda de la propia luz de la bomba.
El espaciado y las dimensiones son precisos. Obligan a la luz a circular brevemente dentro de la estructura. En lugar de pasar inmediatamente, la luz permanece. Sólo por un momento.
Mantener la luz en el interior amplifica el cambio del índice de refracción en el silicio. Ese pequeño cambio se convierte en una fuerza lo suficientemente fuerte como para desviar el haz de la sonda.
Las cifras son asombrosas. Lograron desviaciones de 13 grados en sólo 74 femtosegundos. La velocidad de modulación coincidía perfectamente con la duración del impulso de la bomba. El dispositivo siguió el ritmo del láser.
Dónde está realmente el límite de velocidad
Entonces, ¿a qué velocidad puede ir? El dispositivo no parece ser el problema. El límite actual lo establecen los propios impulsos láser. Los pulsos más cortos significan una conmutación más rápida. Si reduce la duración del pulso, el sistema seguirá funcionando.
Esto abre puertas a conceptos más salvajes. Cristales del tiempo. Materiales ópticos sintéticos variables en el tiempo. Estas ideas alguna vez fueron curiosidades teóricas. Ahora tenemos las herramientas para probarlos.
La investigación fue publicada en Nature Nanotechnology. El autor principal, Claudio Hail, ahora en UC Berkeley, realizó el trabajo mientras estaba en Caltech. Sirve como prueba de concepto. Un modelo de lo que podría llegar a ser la computación fotónica.
Estamos dejando atrás la era en la que la electrónica dicta el ritmo de la óptica. La luz controla la luz. La velocidad es real. La pregunta ahora no es si funciona. Es lo que sucederá después cuando eliminemos todos los frenos artificiales del sistema.
