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Los investigadores demuestran una nueva forma de «exprimir» la luz infrarroja

por Redacción BL
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Preparación y caracterización estructural de SrTiO.3 membranas. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47917-x

Los investigadores han demostrado por primera vez que una clase específica de membranas de óxido puede confinar o «exprimir» la luz infrarroja, un hallazgo prometedor para las tecnologías de imágenes infrarrojas de próxima generación. Las membranas de película delgada confinan la luz infrarroja mucho mejor que los cristales en masa, que son la tecnología establecida para el confinamiento de la luz infrarroja.

«Las membranas de película delgada mantienen la frecuencia infrarroja deseada, pero comprimen las longitudes de onda, lo que permite que los dispositivos de imágenes capturen imágenes con mayor resolución», dice Yin Liu, coautor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor asistente de ciencia de materiales y Ingeniería en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

«Hemos demostrado que podemos confinar la luz infrarroja al 10% de su longitud de onda manteniendo su frecuencia, lo que significa que la cantidad de tiempo que tarda una longitud de onda en completar su ciclo es la misma, pero la distancia entre los picos de la onda es mucho más cerca entre sí. Las técnicas de cristales masivos confinan la luz infrarroja a alrededor del 97% de su longitud de onda».

«Anteriormente, este comportamiento solo se había teorizado, pero pudimos demostrarlo experimentalmente por primera vez gracias a la forma en que preparamos las membranas de película delgada y a nuestro novedoso uso de la espectroscopía de campo cercano sincrotrón», dice Ruijuan Xu, codirector autor del artículo y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en NC State.

Para este trabajo, los investigadores trabajaron con materiales de perovskita de metales de transición. Específicamente, los investigadores utilizaron deposición con láser pulsado para hacer crecer una membrana cristalina de titanato de estroncio (SrTiO) de 100 nanómetros de espesor.3) en una cámara de vacío. La estructura cristalina de esta fina película es de alta calidad, lo que significa que tiene muy pocos defectos. Luego, estas películas delgadas se retiraron del sustrato en el que crecieron y se colocaron sobre la superficie de óxido de silicio de un sustrato de silicio.

Luego, los investigadores utilizaron la tecnología de la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para realizar espectroscopía de campo cercano sincrotrón en la película delgada de titanato de estroncio mientras se exponía a la luz infrarroja. Esto permitió a los investigadores capturar la interacción del material con la luz infrarroja a nanoescala.

Para comprender lo que aprendieron los investigadores, debemos hablar de fonones, fotones y polaritones. Los fonones y los fotones son formas en que la energía viaja a través y entre materiales. Los fonones son esencialmente ondas de energía causadas por la forma en que vibran los átomos. Los fotones son esencialmente ondas de energía electromagnética.

Puedes pensar en los fonones como unidades de energía del sonido, mientras que los fotones son unidades de energía luminosa. Los polaritones de fonones son cuasipartículas que se producen cuando un fotón infrarrojo se acopla con un fonón «óptico», es decir, un fonón que puede emitir o absorber luz.

«Los artículos teóricos propusieron la idea de que las membranas de óxido de perovskita de metales de transición permitirían a los polaritones de fonones confinar la luz infrarroja», dice Liu. «Y nuestro trabajo ahora demuestra que los polaritones de los fonones confinan los fotones y también evitan que los fotones se extiendan más allá de la superficie del material.

«Este trabajo establece una nueva clase de materiales ópticos para controlar la luz en longitudes de onda infrarrojas, que tiene aplicaciones potenciales en fotónica, sensores y gestión térmica», afirma Liu. «Imagínese poder diseñar chips de computadora que pudieran usar estos materiales para liberar calor convirtiéndolo en luz infrarroja».

«El trabajo también es apasionante porque la técnica que hemos demostrado para crear estos materiales significa que las películas delgadas se pueden integrar fácilmente con una amplia variedad de sustratos», dice Xu. «Eso debería facilitar la incorporación de los materiales en muchos tipos diferentes de dispositivos».

El papel, «Polaritones de fonones de superficie y épsilon cercanos a cero altamente confinados en SrTiO3 Membranas«, se publica en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

Más información:
Ruijuan Xu et al, Polaritones de fonones de superficie y épsilon cercanos a cero altamente confinados en SrTiO3 membranas, Comunicaciones de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47917-x

Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte


Citación: Los investigadores demuestran una nueva forma de ‘exprimir’ la luz infrarroja (2024, 10 de junio) obtenido el 10 de junio de 2024 de https://phys.org/news/2024-06-infrared.html

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