Instalan un detector de luz polarizada circular en un chip de silicio

MADRID 22 Sep. (EUROPA PRESS) -

El desarrollo de un detector de luz polarizada circular integrado en un chip de silicio abre la puerta al desarrollo de pequeños sensores portátiles de altas prestaciones.

Estos dispositivos podrían ampliar el uso de la luz polarizada para la detección de fármacos, la vigilancia, las comunicaciones ópticas y la computación cuántica, entre otras potenciales aplicaciones.

El nuevo detector fue diseñado por un equipo de ingenieros de la Universidad de Vanderbilt, en Estados Unidos, dirigido por el profesor adjunto de Ingeniería Mecánica Jason Valentine, en colaboración con investigadores de la Universidad de Ohio, Estados Unidos. El trabajo se describe en un artículo publicado este martes en la edición digital de 'Nature Communications'.

"Aunque es en gran medida invisible para el ojo humano, el estado de polarización de la luz puede proporcionar una gran cantidad de información valiosa --subraya Valentine--. Sin embargo, la forma tradicional de detectar requiere de varios elementos ópticos que son muy voluminosos y difíciles de miniaturizar. Hemos controlado esa limitación mediante el uso de 'metamateriales', de materiales diseñados para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza".

La luz polarizada se presenta en dos formas básicas: lineal y circular. En un rayo de luz no polarizada, los campos eléctricos de fotones individuales están orientados en direcciones aleatorias. En la luz polarizada linealmente, los campos de todos los fotones se encuentran en el mismo plano. En la luz polarizada circularmente (CPL, por sus siglas en inglés), los campos se encuentran en un plano que gira continuamente a través de 360 grados.

Como resultado, hay dos tipos de luz polarizada circularmente, a mano derecha y a mano izquierda. Los seres humanos no pueden distinguir fácilmente el estado de polarización de la luz, pero hay un número de otras especies que poseen "p-visión" (visión polarizada), como la sepia, langostas mantis, abejas, hormigas y grillos.

La sepia también produce diferentes patrones de luz polarizada en la piel, lo que ha llevado a los científicos a la hipótesis de que la utiliza como un canal de comunicación secreta que ni sus depredadores ni sus presas pueden detectar. Esto ha llevado a sugerir que podría emplearse la CPL para aumentar la seguridad de las comunicaciones ópticas incluyendo canales polarizados que serían invisibles para aquellos que no tienen los detectores adecuados.

A diferencia de la luz no polarizada, la CPL puede detectar la diferencia entre las versiones de moléculas diestras y zurdas. Al igual que las manos y los guantes, la mayoría de las moléculas biológicas vienen en pares de imagen especular. Esta propiedad se llama quiralidad, que puede ser dramáticamente importante en los fármacos porque su actividad biológica es a menudo relacionada con su uso de las manos.

Por ejemplo, una forma de la dopamina es eficaz en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson, mientras que la otra forma reduce el número de células blancas de la sangre. Una forma de la talidomida alivia las náuseas del embarazo, mientras que la otra causa defectos de nacimiento. El número de fármacos quirales en uso hoy en día se estima que es de 2.500 y medicamentos más nuevos en fase de desarrollo también son quirales.

"Detectores de CPL baratos podrían integrarse en el proceso de producción de medicamentos para conseguir sentirlos en tiempo real", afirma el estudiante de doctorado de la Universidad de Vanderbilt Wei Li, quien jugó un papel clave en el diseño y la prueba del dispositivo. "Detectores portátiles podrían ser utilizados para determinar la quiralidad de los medicamentos en los hospitales y en el campo", agrega.

El metamaterial que los investigadores desarrollaron para detectar la luz polarizada se compone de nanocables de plata dispuestos en forma de zigzag sub-microscópico en una hoja extremadamente fina de acrílico fijado a una placa de plata ópticamente gruesa. Este metamaterial está unido a la parte inferior de una placa de silicio con el lado de nanocables hacia arriba.

Los nanocables generan una nube de electrones que fluyen libremente que producen ondas de densidad "plasmón" que absorben eficazmente la energía de los fotones que pasan a través de la placa de silicio. El proceso de absorción crea electrones "calientes" o energéticos que se disparan hacia arriba en la placa, donde generan una corriente eléctrica detectable.

El zigzag se puede hacer hacia la derecha o la izquierda. Cuando es diestro, la superficie absorbe la luz polarizada circularmente a la derecha y refleja la luz polarizada circularmente a la izquierda, y viceversa. Al incluir los patrones de la superficie tanto a derecha como a izquierda, el sensor puede diferenciar entre la luz polarizada circularmente a la derecha y a la izquierda.

La eficacia de su prototipo es de un 0,2 por ciento, demasiado bajo para ser comercialmente viable. Sin embargo, ahora que han demostrado la viabilidad de su enfoque, tienen una serie de ideas de cómo pueden aumentar la eficiencia a un nivel comparable al de los fotodetectores convencionales.