El primer transistor completamente óptico basado en polaritones

Las comunicaciones ópticas son una realidad desde hace 30 años, pero la computación completamente óptica (que eliminaría del todo la optoelectrónica) es una utopía que no acaba de encontrar su presente. Llevo 20 años oyendo hablar de ella como si estuviera a punto de salir al mercado, pero aún falta algo. Quizás lo que falta es un transistor completamente óptico que sea compatible con la tecnología actual de semiconductores. Una vía prometedora se aprovechar la interacción entre polaritones y excitones, y los llamados polaritón-excitones. Me ha gustado leer en ArXiv la primera propuesta firme de un transistor completamente óptico basado en polaritón-excitones. El gran problema de los dispositivos que usan efectos ópticos no lineales es que requieren mucha potencia (o energía), pero la nueva propuesta parece resolver este asunto, aunque de forma parcial, ya que la energía de activación del nuevo transistor es de solo unos nanojulios. Además, el uso de excitones facilita la integración con tecnología semiconductora convencional en chips mixtos optoelectrónicos. ¿Qué futuro tiene esta nueva propuesta? Sobre el papel todo huele muy bien, pero con los años ya no me creo nada. Las conclusiones del artículo lo venden como la octava maravilla, pero yo, no sé, no acabo de creérmelo. Espero equivocarme. Dario Ballarini et al., “All-optical polariton transistor,” ArXiv, Subm. 19 Jan 2012.

¿Qué son los polaritones y los excitones? En física cuántica una cuasipartícula es algo que se comporta como una partícula pero no es una partícula. En un sólido, un electrón es una partícula, pero la ausencia de un electrón, un hueco, se comporta igual que un electrón pero con carga opuesta. La vibración elemental de la estructura cristalina de un sólido también se comporta como una cuasipartícula, un fonón. La excitación elemental del campo de espines de los electrones de un sólido se comporta como un magnón. Un par de Cooper en un superconductor es una cuasipartícula formada por el acoplamiento mutuo entre dos electrones de tal forma que su función de onda común se comporta como la de una partícula. De igual forma, un excitón es el resultado del acoplamiento electrostático entre un electrón y un hueco. Y un polaritón es el resultado del acoplamiento entre un campo electromagnético y un dipolo eléctrico o magnético; un polaritón-excitón es el polaritón en el que un excitón actúa como dipolo eléctrico; un polaritón-magnón es el polaritón en el que un magnón actúa como dipolo magnético. La física cuántica permite que un objeto cuántico se comporte como lo haría una partícula de tal forma que a ciertas escalas es imposible saber que no es una partícula, aunque a escalas más pequeñas se observe que en realidad no lo es.

La ventaja de los polaritón-excitones es que permiten acoplar de forma natural campos electromagnéticos (luz) con campos eléctricos (corrientes eléctricas). La gran desventaja es que se requiere mucha energía, comparada con la energía “natural” de un fotón de un sólido, para que se forma un polaritón. La polaritónica es para los polaritones lo que la electrónica es para los electrones (y huecos). Los dispositivos polaritónicos actúan en un régimen intermedio entre los fotónicos y los electrónicos, por lo que permite acoplar los unos con los otros. El problema es que este acoplamiento requiere que la parte electrónica trabaje a alta frecuencia (microondas o submicroondas) y que la parte óptica (fotónica) trabaje a alta potencia, por lo que sus aplicaciones se limitan a sistemas de radares y a sistemas de microondas vía satélite. Aún así, el primer transistor polaritónico supone un gran avance y tiene un futuro ciertamente prometedor (otra cosa es que no todas las promesas acaban cumpliéndose).

El grafeno es casi invisible para el agua en humectación

La manera en la que una gota de agua moja una superficie plana está dominada por las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la superficie y las de agua. Para sorpresa de muchos, el grafeno es invisible (o transparente) para el agua cuando ésta moja una superficie de cobre, oro o silicio, aunque no cuando es de cristal. Cuando digo invisible quiero decir que al recubrir la superficie con una capa de grafeno (una capa de carbono de un solo átomo de grosor) no cambia el ángulo de contacto; conforme el número de capas de grafeno crece, dicho ángulo tiende al del agua sobre grafito (se necesitan al menos 6 capas de grafeno, aunque con 3 ya se ve el cambio). Los investigadores lo han descubierto gracias a medidas experimentales y han descubierto el porqué gracias a simulaciones de dinámica molecular (como las mostradas en la figura que abre esta entrada). La razón es que el grafeno es más delgado que la escala típica de interacción de las fuerzas de van der Waals. Además, el grafeno incrementa entre un 30% y40% la transferencia de calor por condensación con el cobre, gracias a que su presencia suprime la oxidación de éste. Esta propiedad tendrá importantes aplicaciones industriales para el desarrollo de superficies conductoras de la electricidad que sean impermeables. El artículo técnico es Javad Rafiee et al., “Wetting transparency of graphene,” Nature Materials, Published online 22 January 2012. Me he enterado gracias a un tuit #AA de César (@EDocet).

El grafeno es una capa de un solo átomo de grosor de átomos carbono dispuestos en una retícula hexagonal tipo panel de abeja. Sus propiedades son extraordinarias en estabilidad química, resistencia mecánica, flexibilidad, alta conductividad eléctrica y térmica, entre otras. Además es casi transparente a la luz, ya que la absorción óptica de una sola capa de grafeno es de solo ~2,3% en el espectro visible; combinado con su alta conductividad eléctrica permite desarrollar electrodos conductores transparentes. La interacción del grafeno con el agua ha sido poco estudiada, hasta ahora. En superficies como cobre, oro o silicio  las fuerzas de van der Waals controlan la humectación y una capa de grafeno resulta transparente a estas fuerzas; los autores del estudio llaman a este efecto: humectación transparente del grafeno. Los autores afirman que el grafeno es el primer material conocido con esta propiedad de transparencia humectante. Lo más importante es que el grafeno es un buen conductor de la electricidad, al contrario que la mayoría de las superficies hidrófugas y superhidrófugas, que tienen una energía superficial baja y generalmente son aislantes eléctricos. El revestimiento de una superficie con grafeno podría dar lugar a una nueva clase de superficies hidrófugas de alta conductividad eléctrica.