Capa de Invisibilidad: los ingenieros utilizan plasmónica para crear un fotodetector invisible

Puede que no sea intuitivo, pero una capa de metal reflectante en realidad puede hacer algo menos visible, los ingenieros de Stanford y la Universidad de Pensilvania lo han demostrado. Han creado un detector invisible de luz que puede “ver sin ser visto”.

El corazón del dispositivo son los nanocables de silicio cubiertos por una fina capa de oro. Mediante el ajuste de la relación de metal a silicio – una técnica que los ingenieros refieren como la sintonización de las geometrías –  capitalizan la  física a nanoescala en la que la luz reflejada de los dos materiales se cancela entre sí para hacer que el dispositivo sea invisible.

Pengyu Fan es el autor principal de un artículo que demuestra el nuevo dispositivo publicado en línea el 20 de mayo en la revista Nature Photonics. Él es un estudiante de doctorado en ciencia de materiales e ingeniería en la Universidad de Stanford que trabaja en el grupo del profesor Mark Brongersma,   el autor principal del estudio.

Capa de invisibilidad

La  detección de la luz es bien conocida y relativamente simple. El silicio genera corriente eléctrica cuando se ilumina y es común en los paneles solares y sensores de luz. El dispositivo de Stanford, sin embargo,  por primera vez se utiliza un concepto relativamente nuevo conocido como camuflaje plasmónico para hacer que el dispositivo sea invisible.

El campo de los estudios de plasmónica trata sobre cómo la luz interactúa con nanoestructuras metálicas e induce pequeñas corrientes eléctricas oscilantes a lo largo de las superficies del metal y el semiconductor. Estas corrientes, a su vez, producen ondas de luz dispersas.

Mediante un cuidadoso diseño de sus dispositivos - mediante la regulación de la geometría – los ingenieros han creado un manto plasmónico en el que la luz dispersada por el metal y el semiconductor se anulan entre sí perfectamente a través de un fenómeno conocido como interferencia destructiva.

Las ondas de luz ondulantes en el metal y el semiconductor crean una separación de cargas positivas y negativas en los materiales – un momento dipolar, en términos técnicos. La clave consiste en crear un dipolo en el oro que es igual en fuerza pero de signo opuesto al dipolo en el silicio. Cuando los dipolos positivos y negativos igualmente fuertes se encuentran, se anulan mutuamente y el sistema se vuelve invisible.

“Hemos encontrado que una capa de oro cuidadosamente diseñada altera dramáticamente la respuesta óptica de los nanocables de silicio”, dijo Fan. ”La absorción de la luz en el cable cae ligeramente – por un factor de sólo cuatro -, pero la dispersión de gotas de luz por 100 veces debido al efecto de camuflaje, convirtiéndose en invisibles.”

“Parece contradictorio,” dijo Brongersma “, pero se puede cubrir un semiconductor de metal – incluso uno tan reflexivo como el oro -. Y aún así tener luz  para llegar hasta el silicio como se muestra, el metal no sólo permite a la luz llegar al silicio en el que se puede detectar la corriente generada, sino que hace que el hilo sea invisible.”.

En términos efectivos

Los ingenieros han demostrado que el cubrimiento plasmónica es eficaz en la mayor parte del espectro visible de la luz y que el efecto funciona independientemente del ángulo de luz entrante o la forma y la colocación de las cubiertas de los nanocables de metal en el dispositivo. Demuestran que del mismo modo otros metales de uso común en los chips de ordenador, como el aluminio y el cobre, funcionan tan bien como el oro.

Para producir la invisibilidad, lo que importa sobre todo es la afinación de metales y semiconductores. “Si los dipolos no se alinean correctamente, el efecto de invisibilidad se reduce, o incluso se pierde”, dijo Fan. ”Contar con la cantidad correcta de materiales en nanoescala, por lo tanto, es clave para producir el mayor grado de encubrimiento”.

En el futuro, los ingenieros prevén la aplicación en dispositivos semiconductores de metal en muchas áreas importantes, incluyendo células solares, sensores,  iluminación de estado sólido, láseres a escala de chip, y mucho más.

En las cámaras digitales y sistemas de diagnóstico por imágenes, por ejemplo, los pixeles cubiertos plasmónicamente podrían reducir la perjudicial diafonía entre los píxeles vecinos, que produce desenfoque. Por lo tanto, podría dar lugar a fotos más nítidas y e imágenes médicas más precisas.

“Incluso podemos imaginar reingeniería de los actuales dispositivos opto-electrónicos para incorporar nuevas funciones y valiosas para lograr densidades de sensores que no son posibles hoy en día”, concluyó Brongersma. ”Hay muchas nuevas oportunidades para estos bloques fotónicos de construcción”.

Fuente: Pengyu Fan, Uday K. Chettiar, Linyou Cao, Farzaneh Afshinmanesh, Nader Engheta, Mark L. Brongersma. An invisible metal–semiconductor photodetector. Nature Photonics, 2012; DOI: 10.1038/nphoton.2012.108