Utilización del grafeno como una lupa extremadamente potente
Además de su importancia para comprender la física fundamental, los efectos ópticos no lineales también son clave para aplicaciones fundamentales como la computación cuántica, la biomedicina o la conmutación completamente óptica. Sin embargo, todavía hay muchos obstáculos para poder aprovechar todo su potencial, como la activación de los efectos ópticos no lineales a potencias ultrabajas y en dispositivos a escala de chips. «De hecho, este es uno de los desafíos pendientes en el ámbito de la óptica», señala el profesor doctor Darrick Chang, responsable de grupo de Nanofotónica cuántica teórica en ICFO. «La producción de efectos ópticos no lineales suele requerir grandes intensidades de láser, y el consumo eléctrico resultante, o el tamaño de las fuentes de alimentación necesarias, a menudo provoca que no resulte práctico a escala reducida, por ejemplo para dispositivos portátiles». El objetivo final sería observar efectos no lineales a escala de partículas cuánticas individuales de luz, un objetivo que merece la pena el esfuerzo. En particular, esto permitiría obtener el mejor rendimiento posible y un amplio despliegue de dispositivos no lineales clásicos, a la vez que se facilitarían los protocolos de información cuántica disruptiva que no se pueden desarrollar en las plataformas clásicas. Fue con este objetivo que se puso en marcha el proyecto GRASP en 2014. «La meta del proyecto era investigar si un material relativamente nuevo y exótico, el grafeno, podría permitir que los impulsos de luz interactuasen a una potencia mucho menor», explica. La opción del grafeno es básicamente nueva en la óptica no lineal, pero el profesor doctor Chang y su equipo consideraban que las propiedades únicas de este material permitirían incluso a partículas de luz individuales alcanzar las intensidades necesarias para activar procesos no lineales. «Una de las propiedades especiales del grafeno, que se predijo teóricamente y después se observó experimentalmente, era que podría concentrar eficazmente o delimitar espacialmente la luz a escalas de longitud extremadamente reducidas. Podríamos utilizar la analogía de una lupa, que permite concentrar la luz del sol en un pequeño punto, logrando que la luz sea incluso lo suficientemente intensa como para quemar un trozo de papel», explica el profesor doctor Chang. En esta analogía, el grafeno podría verse como una lupa extremadamente potente. Puede concentrar la luz en un espacio millones de veces más pequeño que las mejores lupas o lentes disponibles en el mercado y las intensidades resultantes serían suficientemente altas para activar procesos ópticos no lineales. El proyecto GRASP fue capaz de observar por primera vez efectos no lineales derivados de este efecto lupa. Esto resulta especialmente notable si tenemos en cuenta que el grafeno tan solo tiene un átomo de grosor, mientras que los dispositivos ópticos no lineales estándar suelen requerir materiales voluminosos. Aunque el objetivo final de desarrollar una generación completamente nueva de tecnología basada en dispositivos ópticos no lineales que pueda funcionar a potencias ultrabajas todavía está a bastante lejos, el trabajo del consorcio es un paso importante hacia su consecución. «Evidentemente, todavía queda mucho por hacer para que el grafeno se convierta en una tecnología madura en el ámbito de la óptica no lineal. No obstante, hemos desarrollado muchos bloques integrantes de gran importancia que sientan los cimientos para el trabajo futuro. Esto incluye observar por primera vez efectos ópticos no lineales en el grafeno a causa de una fuerte limitación de la luz, aprender a fabricar grafeno con una calidad de material más alta, construir nuevos dispositivos que puedan limitar campos no solo millones, sino miles de millones de veces mejor que las mejores lentes y comprender más profundamente las complejas interacciones entre el grafeno y la luz», afirma el profesor doctor Chang. Aunque probablemente sea demasiado pronto para escular sobre vías específicas de comercialización, el uso del grafeno en tecnologías ópticas no lineales cuánticas y clásicas a escala de chips está ahora mucho más cerca. Esto explica que el profesor doctor Chang pretenda continuar con este trabajo: «Tras establecer los bloques integrantes importantes necesarios, nuestro objetivo es seguir avanzando con esta interesante línea de investigación y empezar a unir estos bloques integrantes para formar dispositivos básicos, pero reales, en los próximos años».
Palabras clave
GRASP, grafeno, luz, óptica, efectos ópticos no lineales, tecnología cuántica