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Jun 15, 2023

Los investigadores desarrollan grafeno

Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) han presentado un concepto de diseño para un efecto de absorción saturable mejorado basado en una metasuperficie híbrida de grafeno-plasmónico de espesor inferior a la longitud de onda (<1/5λ0).

Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) han presentado un concepto de diseño para un efecto de absorción saturable mejorado basado en estructuras de metasuperficie híbridas de grafeno-plasmónico de espesor inferior a la longitud de onda (<1/5λ0) en longitudes de onda infrarrojas. Yu Yao y su equipo de investigación en el Centro de Innovación Fotónica de ASU diseñaron un componente láser a nanoescala más rápido y con mayor eficiencia energética llamado absorbente saturable de metaestructura híbrida grafeno-plasmónico, conocido como GPSMA.

Los resultados teóricos y experimentales del equipo demostraron que, al excitar portadores en desequilibrio dentro de puntos de acceso a nanoescala, no solo se podría mejorar la absorción saturable en el grafeno, sino también reducir la fluencia de saturación en más de 3 órdenes de magnitud (de ~1 mJ/cm2 a ~100 nJ/cm2). Los resultados de sus mediciones de bomba-sonda sugirieron un tiempo de recuperación de absorción saturable ultracorto (<60 fs), que en última instancia está determinado por la dinámica de relajación de los portadores fotoexcitados en el grafeno. También observaron efectos de estrechamiento del pulso en los dispositivos según los resultados de la medición de autocorrelación. Estos conceptos de diseño se pueden adaptar mediante ingeniería estructural para operar en rangos de longitud de onda más amplios hasta regiones espectrales del infrarrojo medio y lejano. Estos diseños de absorbentes saturables de fluencia ultrarrápidos y de baja saturación pueden permitir láseres de umbral bajo, compactos y con modo de arranque automático bloqueado, conformación de pulsos láser y procesamiento de información óptica de alta velocidad.

Los láseres producen haces de luz estrechos. Cuando la luz del láser interactúa con la superficie de un material a nanoescala, emite una onda de luz conocida como plasmón, y los atributos de un plasmón determinado pueden indicar información. En la transmisión óptica, un láser bombea luz hacia un componente llamado absorbente saturable para generar una señal óptica.

El GPSMA desarrollado recientemente por el equipo tiene aplicaciones potenciales en las industrias de comunicaciones, procesamiento de información, espectroscopia y biomédica. El absorbente se puede utilizar para mejorar la velocidad, la eficiencia y el rendimiento general para avanzar en la transmisión de datos, el procesamiento de información, la detección biomédica y las tecnologías de imágenes.

El equipo de Yao ha estado incorporando un material híbrido de metal y grafeno diseñado artificialmente en su trabajo debido a sus características beneficiosas en modulación óptica y absorción saturable.

Los científicos lograron sus impresionantes resultados diseñando un conjunto de antenas ópticas que enfoca la luz en los espacios a nanoescala del material, conocidos como puntos calientes, para aumentar la absorción. Al enfocar el láser en estos puntos calientes, observaron un mejor rendimiento y un menor uso de energía.

"El grafeno es liviano y tiene un tiempo de respuesta óptica rápido, pero tiene una tasa de absorción baja en forma monocapa", dijo Yao. “Diseñamos este dispositivo para que la absorción de luz en el punto caliente a nanoescala pueda aumentar en más de tres órdenes de magnitud, lo que da como resultado no sólo una fuerte absorción de luz sino también efectos de absorción saturables. Con GPSMA, estamos fabricando un dispositivo absorbente saturable que podría reducir el consumo de energía en casi dos o tres órdenes de magnitud”.

Su nueva técnica podría abrir oportunidades para la espectroscopía láser infrarroja y la comunicación de señales ópticas de alta velocidad tanto con cables de fibra óptica como con comunicaciones por satélite debido a su velocidad.

"Nuestro dispositivo puede funcionar a una velocidad récord", dijo Yao. "Los absorbentes saturables convencionales pueden funcionar en escalas de tiempo de nanosegundos, pero ahora estamos llegando a aproximadamente 60 femtosegundos, lo que es más de 100.000 veces más rápido".

Actualmente, GPSMA funciona en una longitud de onda del infrarrojo cercano en el espectro electromagnético. Gracias a la amplia respuesta óptica del grafeno, es posible extender su cobertura espectral a longitudes de onda más largas en la región espectral infrarroja, que son de gran interés para la espectroscopia molecular y las comunicaciones ópticas. Sin embargo, para longitudes de onda más largas, convencionalmente es más difícil conseguir absorbentes saturables y generar pulsos láser ultracortos. El concepto de diseño GPSMA podría llenar este vacío tecnológico.