Los autos autónomos se han vuelto mejores y más confiables en los últimos años. Antes de que se les permita conducir de manera completamente autónoma en nuestras carreteras en el futuro cercano, sin embargo, se deben tomar algunos obstáculos. Sobre todo, la necesidad de evaluarEl entorno a la velocidad del rayo y para reconocer a las personas y los obstáculos lleva las tecnologías actuales a sus límites.Un equipo de científicos dirigido por Juerg Leuthold en el Instituto de Campos Electromagnéticos en ETH Zurich, junto con colegas en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NISTen los Estados Unidos y en la Universidad de Chalmers en Gotemburgo Suecia, ha desarrollado un novedoso interruptor electro-opto-mecánico que podría ser capaz de resolver ambos problemas de manera elegante en el futuro.
Plasmonics como ingrediente mágico
Para lograr esto, los investigadores utilizaron un ingrediente mágico conocido como "plasmónicos". En esta tecnología, las ondas de luz se comprimen en estructuras que son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, lo que, según las leyes de la óptica, deberíaser imposible de hacer. Sin embargo, puede hacerse posible al guiar la luz a lo largo del límite entre un metal y un dieléctrico, una sustancia, como el aire o el vidrio, que apenas conduce corriente eléctrica.
Las ondas electromagnéticas de la luz penetran parcialmente en el metal y hacen que los electrones en su interior oscilen, lo que resulta en una criatura híbrida hecha de una onda de luz y una excitación electrónica: el plasmón. Hace más de diez años, algunos bien-los físicos conocidos ya predijeron que los interruptores ópticos basados en plasmones podrían conducir a una revolución en la transmisión y el procesamiento de datos, ya que ambos se pueden hacer mucho más rápido con fotones que con la electrónica tradicional.
Hasta ahora, sin embargo, las aplicaciones comerciales de la vida real han fallado debido a las grandes pérdidas encontradas al transportar fotones a través de dispositivos plasmónicos, y debido a los altos voltajes de conmutación necesarios.
Explotando las fortalezas de los plasmónicos
"Ahora hemos resuelto esos problemas explotando las buenas propiedades de los plasmónicos y minimizando los malos", dice Christian Haffner postdoc, quien dirigió el proyecto y también es el primer autor del recientemente publicado ciencia papel. La característica central del interruptor electro-opto-mecánico desarrollado por Haffner y sus colegas es una membrana de oro que tiene solo 40 nanómetros de grosor y unos pocos micrómetros de ancho, y que está separada de un sustrato de silicio por un disco de óxido de aluminio..
En esta configuración, el tamaño del espacio entre la membrana de oro y el sustrato puede controlarse mediante fuerzas mecánicas. Cuando se aplica un voltaje, la membrana se dobla ligeramente y, como resultado, el espacio se vuelve más pequeño.
El tamaño del espacio, a su vez, decide si una onda de luz simplemente pasa por la membrana de oro o se desvía a su alrededor. Aquí es donde entran los plasmones. De hecho, para un cierto ancho del espacio solo los plasmones que tienen ununa longitud de onda particular puede excitarse en la membrana dorada. Si la luz tiene una longitud de onda diferente, no se acopla a la membrana sino que simplemente se propaga en línea recta dentro de la guía de ondas de silicio.
Pequeñas pérdidas y voltaje de conmutación
"Debido a que solo usamos los plasmones para el corto viaje alrededor de la membrana de conmutación, tenemos pérdidas sustancialmente menores que las de los interruptores electroópticos actuales", explica Haffner. "Además, hicimos que la membrana de oro fuera muy pequeña y delgada, así queque podemos cambiarlo muy rápido y con un pequeño voltaje "
Los científicos ya han demostrado que su nuevo interruptor puede encenderse y apagarse varios millones de veces por segundo con un voltaje eléctrico de poco más de un voltio. Esto hace que los amplificadores voluminosos y hambrientos de energía que se usan normalmente para interruptores electroópticos sean superfluosEn el futuro, los científicos planean mejorar aún más su interruptor al reducir aún más la brecha entre el oro y el silicio. Esto permitirá reducir significativamente las pérdidas de luz y el voltaje de conmutación.
Aplicaciones de automóviles a tecnologías cuánticas
Las posibles aplicaciones para el nuevo interruptor son abundantes. Por ejemplo, los sistemas LIDAR "Detección y rango de luz" para automóviles autónomos, en los que la intensidad y la dirección de propagación de los haces de luz deben variar extremadamente rápido, podrían beneficiarsede los interruptores rápidos y compactos.
Además, el reconocimiento de patrones necesario para conducir los automóviles también podría acelerarse con tales interruptores. Para ese fin, los interruptores podrían usarse en redes neuronales ópticas que imitan el cerebro humano. Allí, serían empleados como elementos de ponderación con los cualesla red "aprende" a reconocer ciertos objetos, prácticamente a la velocidad de la luz.
Tales implementaciones ópticas de circuitos que normalmente funcionan con corriente eléctrica también son temas candentes en otras áreas. Los circuitos cuánticos ópticos también se estudian intensamente, por ejemplo, para la realización de tecnologías cuánticas. Hasta ahora, los circuitos cuánticos ópticos han sido apoyados por los clásicosinterruptores ópticos. Estos interruptores generalmente se basan en una variación en el índice de refracción de un material cuando se calienta, lo que cambia el grado en que los rayos de luz son doblados por él.
Sin embargo, este es un proceso lento y, a la larga, incompatible con las bajas temperaturas a las que otros elementos cuánticos, como los bits cuánticos o "qubits" de una computadora cuántica correspondientes a los bits clásicos que representan "0"y "1" normalmente funcionan. Un cambio rápido que prácticamente no se calienta en absoluto debería, por lo tanto, ser una adición bienvenida a tales aplicaciones también.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Oliver Morsch. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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