Un nuevo sistema de control de la luz infrarroja, que sustituye las piezas móviles por materiales de cambio de fase, puede revolucionar ámbitos como la imagen o el aprendizaje automático.

Estos materiales tienen la capacidad de cambiar sus propiedades ópticas cuando se les agrega energía, según ha comprobado un equipo de investigadores del MIT.

«Hay varias formas posibles en las que este material puede habilitar nuevos dispositivos fotónicos que impactan la vida de las personas», dice el profesor Juejun Hu, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, autor principal del estudio.

«Por ejemplo, puede ser útil para conmutadores ópticos de bajo consumo, que pueden mejorar la velocidad de la red y reducir el consumo de energía de los centros de datos de Internet. Puede habilitar dispositivos metaópticos reconfigurables, como lentes de zoom infrarrojos planos y compactos sin partes móviles mecánicas. También puede conducir a nuevos sistemas informáticos, que pueden hacer que el aprendizaje automático sea más rápido y más eficiente en términos de energía en comparación con las soluciones actuales», expone en un comunicado.

El equipo controló con éxito la luz infrarroja en múltiples sistemas mediante el uso de una nueva clase de material de cambio de fase que contiene los elementos germanio, antimonio, selenio y teluro, conocidos colectivamente como GSST. Este trabajo se presenta en un artículo publicado en Nature Communications.

La magia de un material de cambio de fase ocurre en los enlaces químicos que unen sus átomos. En un estado de fase, el material es cristalino, con sus átomos dispuestos en un patrón organizado. Este estado puede cambiarse aplicando un pico corto de energía térmica a alta temperatura al material, haciendo que los enlaces en el cristal se rompan y luego se reforman en un patrón más aleatorio o amorfo. Para volver a cambiar el material al estado cristalino, se aplica un pulso de energía térmica a temperatura media y larga.

«Este cambio de los enlaces químicos permite que surjan diferentes propiedades ópticas, similares a las diferencias entre el carbón (amorfo) y el diamante (cristalino)», dice Christopher Roberts, otro miembro del equipo de investigación del Laboratorio Lincoln. «Si bien ambos materiales son en su mayoría carbono, tienen propiedades ópticas muy diferentes».

Actualmente, los materiales de cambio de fase se utilizan para aplicaciones industriales, como la tecnología Blu-ray y los DVD regrabables, porque sus propiedades son útiles para almacenar y borrar una gran cantidad de información. Pero hasta ahora, nadie los ha usado en óptica infrarroja porque tienden a ser transparentes en un estado y opacos en el otro. Si la luz no puede atravesar uno de los estados, entonces esa luz no puede controlarse adecuadamente para una variedad de usos; en cambio, un sistema solo podría funcionar como un interruptor de encendido / apagado, permitiendo que la luz pase a través del material o no lo haga en absoluto.

Sin embargo, el equipo de investigación descubrió que al agregar el elemento selenio al material original (llamado GST), la absorción de luz infrarroja en la fase cristalina del material disminuyó drásticamente, en esencia, cambiándola de un material opaco similar al carbón a un material transparente parecido al diamante. Además, la gran diferencia en el índice de refracción de los dos estados afecta a la propagación de la luz a través de ellos.

Fuente: EP