Doblar materiales 2D les otorga nuevas propiedades útiles para las comunicaciones cuánticas
El grafeno es un material compuesto por átomos de carbono de una capa de espesor, dispuestos en una estructura de panal. Se ha utilizado para hacer materiales más fuertes, crear componentes de frecuencia ultra alta para comunicaciones, mejorar el rendimiento de la batería y incluso solía hacer pruebas de COVID-19. Es el material bidimensional (2D) por excelencia, pero los materiales 2D son mucho más que grafeno.
Desde que se aisló el grafeno por primera vez en 2004, la investigación se ha extendido a la creación de otros materiales 2D autocopiativos. Ahora hay varias docenas de ellos, y se sabe que tienen un impacto donde el grafeno es menos adecuado, como en los nuevos transistores y dispositivos optoelectrónicos de próxima generación, que generan, detectan y controlan la luz.
Nuestro estudio reciente se centró en una nueva forma de material de disulfuro de tungsteno 2D (WS2), que es tanto 2D como 3D. WS2 es un semiconductor, al igual que el silicio, que se encuentra en casi todos los dispositivos electrónicos. Sin embargo, a diferencia del silicio, WS2 puede existir en una forma 2D estable. Organizamos el material WS2 de una nueva forma para crear una disposición 3D de láminas 2D que llamamos nanomedias.
La nanomastilla WS2 duplica la frecuencia y reduce a la mitad la longitud de onda de la luz láser, cambiando así su color, con gran eficiencia. Esto significa que podría ser útil en componentes para comunicaciones cuánticas usando la luz, donde aún se pueden detectar intentos de «escuchar» mensajes. La luz es importante en las comunicaciones cuánticas porque las partículas de luz, llamadas fotones, pueden usarse para transportar información. Cuando dos fotones se someten a lo que se llama entrelazamiento cuántico, cualquier cosa que le suceda a uno de ellos es inmediatamente observable en el otro, independientemente de su distancia.
La comunicación cuántica tiene el potencial de ofrecer comunicación verdaderamente segura a través del mundo. Utilizando la extraña propiedad del entrelazamiento, es posible diseñar un sistema de modo que cuando se intercepta una señal, el emisor lo sepa de inmediato.
Muchos de los intentos hasta ahora de crear comunicaciones cuánticas han utilizado luz láser. Pero para hacer eso, necesitamos una forma eficiente de controlar la luz. Esto podría potencialmente hacerse con materiales 2D.
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Contención bidimensional
En materiales 2D, los electrones pueden moverse en dos dimensiones, pero su movimiento en la tercera dimensión es limitado. Este confinamiento le da a los materiales 2D propiedades interesantes que significan que son muy prometedores como dispositivos ultradelgados para computación, comunicaciones, detección, energía, imágenes y computación cuántica. Para muchas de estas aplicaciones, los materiales 2D, que tienen solo un átomo de espesor, se colocan planos sobre una superficie de soporte.
Desafortunadamente, sin embargo, la resistencia de estos materiales, que son extremadamente delgados, es también su mayor debilidad. Esto significa que cuando están iluminados, la luz visible solo puede interactuar con ellos hasta un mínimo de espesor y el efecto resultante es pequeño. Para superar esto, investigadores como yo estamos comenzando a buscar nuevas formas de empaquetar materiales 2D en estructuras 3D complejas.
Nanomesh
Mi estudiante de doctorado y yo creamos una red tridimensional enredada de pilas densas y distribuidas aleatoriamente, que contenían hojas en 2D rotadas y fusionadas llamadas nanomesh. Sus características únicas son el resultado del proceso de síntesis específico que hemos desarrollado. Comenzamos cultivando nanotubos unidimensionales (láminas laminadas) de WS2, como un andamio. Estos están naturalmente llenos de un material del cual las hojas de WS2 podrían crecer en los extremos de los nanotubos y en sus lados, girarse una encima de la otra y desplegarse como un ventilador. Luego, estas hojas se fusionaron entre sí para crear hojas 2D más grandes que se cruzan en 3D para crear la nanomatriz.
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Dentro de un semiconductor, hay bandas de energía, separadas por un espacio de energía. Solo la luz con una energía mayor que la brecha de energía puede interactuar de manera útil con el material. Si se introducen nuevos niveles de energía dentro de esta brecha de energía, duplicar la frecuencia de la luz que pasa a través del material es mucho más eficiente y puede tener lugar en un rango más amplio de longitudes de onda. Esto es exactamente lo que hace nuestra nanombrilla, cambia el panorama energético (las bandas de energía, los huecos de energía y los niveles de energía dentro del hueco) del material.
Las mediciones realizadas por mis colegas en el grupo de fotónica demostraron que el material de nanomastilla convierte de manera eficiente un color láser en otro en una amplia gama de colores. En comparación con las capas WS2 de superficie plana, la nanomedura es muy eficiente y responde a una amplia gama de longitudes de onda de luz, a la vez que es duradera y capaz de crecer en grandes áreas.
Nuestro estudio es evidencia de que unir materiales 2D en una disposición 3D no solo da como resultado materiales 2D más gruesos con los que la luz interactúa con más fuerza, sino que produce materiales con propiedades completamente nuevas.
La nanomola que hicimos es tecnológicamente simple de producir a gran escala y ofrece una interacción con la luz que se puede ajustar. El material aún podría evolucionar, por ejemplo, al incluir pequeñas nanopartículas metálicas o al depositar un segundo material. Dichos híbridos ofrecerían formas adicionales de cambiar la luz láser que los atraviesa.
Nuestro próximo objetivo es incorporar nanomeh en dispositivos que transmitan y modifiquen la luz y que puedan integrarse en la microelectrónica tradicional. Es una forma de desarrollar comunicaciones ópticas cuánticas prácticas.
