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Primera nanomáquina impulsada por la luz
Desde la década de 1980, los investigadores han utilizado láseres para detener las vibraciones moleculares, de modo que las moléculas se puedan observar en su entorno natural. Ahora, los investigadores de la Universidad de Yale han utilizado el mismo tipo de fuerza óptica a nanoescala para controlar un circuito integrado. Su dispositivo podría formar la base de chips ópticos rápidos y de bajo consumo, al igual que los transistores son los componentes básicos de los circuitos electrónicos actuales. El nuevo dispositivo, un nanoresonador impulsado por luz, también podría usarse como un detector químico extremadamente sensible. El trabajo es un hito importante en la unión de fuerzas mecánicas y ópticas a nanoescala.
Poder del fotón: Este circuito fotónico incluye un nuevo resonador nanomecánico impulsado por luz. Representado en la imagen del microscopio electrónico de barrido, este rayo de silicio a nanoescala oscila cuando la luz láser incide sobre él, modulando la señal de luz transportada a través del circuito.
Los chips que utilizan luz en lugar de electrones para transportar datos deberían ser más rápidos y consumir menos energía que los circuitos integrados tradicionales. Pero hasta ahora, incluso los chips ópticos más rápidos han incorporado elementos eléctricos llamados moduladores. Estos moduladores codifican la luz con datos convirtiendo la señal de luz en electrones y viceversa. Este paso adicional hace que los chips ópticos sean complejos y consumen energía. Un circuito desarrollado por investigadores de Yale dirigido por un profesor de ingeniería eléctrica. Hong Tang incorpora un modulador que es impulsado por luz, no por electrones.
El grupo de Yale comenzó su trabajo creando un chip óptico de silicio. Para hacer el modulador, grabaron una pequeña parte de la guía de ondas, la delgada carretera de silicio por la que viajan los fotones, en una barra de 500 nanómetros de ancho. Este rayo de silicio, que está suspendido de la superficie del chip para que pueda flexionarse, tiene dos funciones. Transporta la señal óptica y la modula. Tang y sus colegas enviaron una señal de luz a través del circuito integrado, luego iluminaron con luz láser el modulador nanoóptico, haciendo que oscile hacia arriba y hacia abajo. Estas oscilaciones modulan la velocidad de la luz que viaja a través del haz.
El equipo de Yale es el primero en demostrar la existencia de esta fuerza óptica en un circuito integrado, y el primero en explotarla para hacer un dispositivo que funcione. La fuerza de la luz se puede utilizar de verdad, dice Tang. Su grupo también ha demostrado que puede hacer arreglos de cientos de resonadores en funcionamiento en un solo chip.
Las pinzas ópticas han sido muy útiles para manipular objetos a nanoescala que flotan libremente en una solución, pero son muy complejas y requieren un láser de alta potencia y una mesa de trabajo completa. Aunque todavía requiere la entrada de un láser que aún no está integrado en el chip, la configuración de Yale es más simple que la requerida para las pinzas ópticas.
Descrito en la revista Naturaleza , el circuito de Yale representa un avance técnico, dice el profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Columbia James Hone . Abre una nueva forma de hacer interruptores opto-mecánicos que pueden desviar una señal óptica usando otra. Hone dice que estos dispositivos podrían ser los componentes básicos de los circuitos ópticos. Adam Cohen , profesor de química, biología química y física en Harvard, está de acuerdo, siempre que hacer estos dispositivos sea compatible con el procesamiento estándar de semiconductores. El enfoque tradicional, que implica convertir la señal óptica en eléctrica y viceversa, ralentiza las cosas y es más complicado, dice Cohen.
Debido a que la oscilación mecánica del rayo cambia la forma en que la luz fluye a través de él de una manera mensurable, los rayos podrían convertirse en sensores químicos muy sensibles, dice Hone. El grupo de Yale no ha demostrado un sensor químico. Sin embargo, en teoría, las matrices de osciladores de silicio en chip podrían decorarse con anticuerpos que se unen a proteínas sanguíneas características de enfermedades como el cáncer. Si una muestra de sangre colocada en el chip contuviera una pequeña cantidad de proteína, se uniría al haz de silicio, cambiando la frecuencia de sus oscilaciones y provocando así un cambio medible en la velocidad de la luz transportada a través de él. Otros sensores a nanoescala funcionan con un principio similar, detectando diferencias en el flujo de corriente eléctrica a través de haces de silicio oscilantes o nanotubos de carbono cuando se unen a moléculas de interés. Los resonadores ópticos podrían ser incluso más sensibles, dice Hone, porque los dispositivos ópticos se comportan mejor y dan señales más claras que los dispositivos eléctricos.
Sin embargo, faltan muchos años para tales aplicaciones. El dispositivo aún se encuentra en un desarrollo muy temprano en el laboratorio de Tang, donde su grupo está refinando sus propiedades mecánicas.