Físicos de las universidades de Texas y Yale han demostrado un sensor cuántico de grosor atómico que puede detectar simultáneamente todas las propiedades fundamentales de una onda de luz entrante.
La investigación, publicada en Nature, demuestra un nuevo concepto basado en la geometría cuántica que podría tener uso en el cuidado de la salud, la exploración del espacio profundo y las aplicaciones de detección remota.
«Estamos entusiasmados con este trabajo porque, por lo general, cuando desea caracterizar una onda de luz, debe usar diferentes instrumentos para recopilar información, como la intensidad, la longitud de onda y el estado de polarización de la luz. Esos instrumentos son voluminosos y pueden ocupar un área significativa en una mesa óptica», dijo en un comunicado el doctor Fan Zhang, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de Física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas.
«Ahora tenemos un solo dispositivo, solo un chip pequeño y delgado, que puede determinar todas estas propiedades simultáneamente en muy poco tiempo», dijo.
El dispositivo explota las propiedades físicas únicas de una nueva familia de materiales bidimensionales llamados metamateriales moiré. Zhang, físico teórico, publicó un artículo de revisión sobre estos materiales el 2 de febrero en Nature.
Los materiales 2D tienen estructuras periódicas y son atómicamente delgados. Si se superponen dos capas de dicho material con un pequeño giro rotacional, se puede formar un patrón moiré con una periodicidad emergente de varios órdenes de magnitud. El metamaterial moiré resultante produce propiedades electrónicas que difieren significativamente de las exhibidas por una sola capa sola o por dos capas alineadas naturalmente.
El dispositivo de detección que Zhang y sus colegas eligieron para demostrar su nueva idea incorpora dos capas de grafeno bicapa natural relativamente retorcido, para un total de cuatro capas atómicas.
«El metamaterial moiré exhibe lo que se llama un efecto fotovoltaico masivo, lo cual es inusual», dijo Patrick Cheung, estudiante de doctorado en física en UT Dallas y coautor principal del estudio. «Normalmente, tiene que aplicar una polarización de voltaje para producir cualquier corriente en un material. Pero aquí, no hay polarización en absoluto; simplemente hacemos brillar una luz sobre el metamaterial moiré, y la luz genera una corriente a través de este efecto fotovoltaico masivo. Tanto la magnitud como la fase del fotovoltaje dependen en gran medida de la intensidad de la luz, la longitud de onda y el estado de polarización».
Al ajustar el metamaterial moiré, el fotovoltaje generado por una onda de luz entrante dada crea un mapa 2D que es único para esa onda, como una huella dactilar, y del cual se pueden inferir las propiedades de la onda, aunque hacerlo es un desafío, dijo Zhang.
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