Los investigadores ‘descomprimen’ materiales 2D con láseres

En un nuevo artículo publicado el 1 de mayo en la revista Avances científicosinvestigadores de Columbia Engineering utilizaron láseres de mesa disponibles comercialmente para crear nanoestructuras o nanopatrones diminutos y atómicamente nítidos, en muestras de un material 2D en capas llamado nitruro de boro hexagonal (hBN).

Mientras exploraba aplicaciones potenciales de sus estructuras con nanomodelos con colegas del Departamento de Física, el equipo descubrió que sus muestras de hBN cortadas con láser podían crear y capturar de manera efectiva cuasipartículas llamadas fonones-polaritones, que ocurren cuando las vibraciones atómicas en un material se combinan con fotones de luz.

“El nanopatrón es un componente importante del desarrollo de materiales”, explicó el doctor en ingeniería. la estudiante Cecilia Chen, quien dirigió el desarrollo de la técnica.

“Si quieres convertir un material interesante con propiedades interesantes en algo que pueda realizar funciones específicas, necesitas una forma de modificarlo y controlarlo”.

La nueva técnica de nanopatrones, desarrollada en el laboratorio del profesor Alexander Gaeta, es una forma sencilla de modificar materiales con luz y no implica una sala limpia costosa y que requiere muchos recursos.

Una paradoja a nanoescala

Existen varias técnicas bien establecidas para modificar materiales y crear los nanopatrones deseados, pero tienden a requerir una capacitación extensa y gastos generales costosos. Las máquinas de litografía por haz de electrones, por ejemplo, deben alojarse en salas limpias cuidadosamente controladas, mientras que las opciones láser existentes implican altas temperaturas y plasmas que pueden dañar fácilmente las muestras; El tamaño del propio láser también limita el tamaño de los patrones que se pueden crear.

La técnica del laboratorio Gaeta aprovecha lo que se conoce en la comunidad de óptica y fotónica como “conducción óptica”. Todos los materiales vibran con una resonancia particular. Chen y sus colegas pueden mejorar esas vibraciones sintonizando sus láseres a esa frecuencia (correspondiente a una longitud de onda de 7,3 micrómetros, en el caso del hBN), como lo demostraron por primera vez en una investigación publicada en noviembre pasado en Comunicaciones de la naturaleza.

En el trabajo recientemente publicado, llevaron al hBN a vibraciones aún más intensas, pero en lugar de dañar la estructura atómica subyacente, los láseres rompieron limpiamente la red cristalina. Según Chen, el efecto era visible bajo el microscopio y parecía como abrir una cremallera.

Las líneas resultantes a lo largo de la muestra eran atómicamente nítidas y mucho más pequeñas (solo unos pocos nanómetros) que las longitudes de onda del láser infrarrojo medio utilizadas para crearlas. “Por lo general, se necesita una longitud de onda más corta para crear un patrón más pequeño”, dijo Chen. “Aquí podemos crear nanoestructuras muy nítidas utilizando longitudes de onda muy largas. Es un fenómeno paradójico”.

Pequeñas estructuras, gran física.

Para explorar qué podrían hacer con sus muestras con nanomodelos, el equipo de ingeniería se asoció con el laboratorio del físico Dmitri Basov, que se especializa en crear y controlar efectos nanoópticos en diferentes materiales 2D, incluida la creación de fonones-polaritones en hBN.

Estas cuasipartículas vibrantes pueden ayudar a los científicos a “ver” más allá del límite de difracción de los microscopios convencionales y detectar características en el material que dan lugar a fenómenos cuánticos. También podrían ser un componente clave para miniaturizar los dispositivos ópticos, ya que la electrónica se ha vuelto más pequeña con el paso de los años.

“La sociedad moderna se basa en la miniaturización, pero ha sido mucho más difícil reducir el tamaño de los dispositivos que dependen de la luz que de los electrones”, explicó el Ph.D. estudiante y coautor Samuel Moore. “Al aprovechar las fuertes vibraciones atómicas del hBN, podemos reducir las longitudes de onda de la luz infrarroja en órdenes de magnitud”.

Se necesitan bordes ultraafilados para excitar los fonones-polaritones; normalmente, se lanzan desde los lados de las escamas de hBN preparadas mediante lo que se conoce como el método de la “cinta adhesiva”, en el que un cristal en masa se pela mecánicamente en capas más delgadas usando cinta adhesiva doméstica. Sin embargo, el equipo descubrió que las líneas cortadas con láser ofrecen condiciones aún más favorables para la creación de cuasipartículas.

“Es impresionante cómo las regiones hBN cortadas con láser lanzan polaritones de fonones incluso más eficientemente que el borde, lo que sugiere una región hBN descomprimida ultra estrecha que interactúa fuertemente con la luz infrarroja”, dijo Moore.

Como la nueva técnica puede crear nanoestructuras en cualquier parte de una muestra, también descomprimieron dos líneas en paralelo. Esto crea una pequeña cavidad que puede confinar los fonones-polaritones en su lugar, lo que mejora su sensibilidad nanoóptica. El equipo descubrió que sus cavidades abiertas tenían un rendimiento comparable en la captura de cuasipartículas a las cavidades convencionales creadas en salas blancas.

“Nuestros resultados sugieren que nuestras estructuras preliminares pueden competir con aquellas creadas a partir de métodos más establecidos”, señaló Chen.

Escapar de la sala limpia

La técnica puede crear muchos nanopatrones personalizables. Más allá de las cavidades de dos líneas, puede crear cualquier número de líneas paralelas. Si tales matrices se pueden producir bajo demanda con los espacios deseados, se podría mejorar en gran medida la capacidad de obtención de imágenes de los fonones-polaritones y sería un gran logro, afirmó Moore.

Una pausa se puede extender tanto como se desee una vez iniciada, y se han descomprimido muestras de hasta 80 nanómetros de espesor y tan delgadas de 24 nanómetros; en teoría, el límite podría ser mucho menor.

Esto brinda a los investigadores muchas opciones para modificar hBN y explorar cómo su nanopatrón puede influir en sus propiedades resultantes, sin tener que vestirse con un traje de conejito de sala limpia. “Realmente depende de tu objetivo final”, dijo Chen.

Dicho esto, todavía ve mucho margen de mejora. Debido a que hBN es una serie de hexágonos repetidos, la técnica solo produce líneas rectas o en ángulo que se encuentran a 60° o 120° por el momento, aunque Chen cree que debería ser posible combinarlas en triángulos.

Actualmente, las roturas sólo pueden ocurrir también en el plano; Si pueden determinar cómo abordar las vibraciones fuera del plano, podrían potencialmente reducir un cristal en diferentes formas tridimensionales. También están limitados por la potencia de sus láseres, que pasaron años ajustando cuidadosamente para que funcionen de manera estable en las longitudes de onda deseadas. Si bien su configuración de IR medio es adecuada para modificar hBN, se necesitarían diferentes láseres para modificar materiales con diferentes resonancias.

De todos modos, Chen está entusiasmado con el concepto del equipo y lo que podría hacer en el futuro. Como miembro del subgrupo de láseres ultrarrápidos del Laboratorio Gaeta, Chen ayudó en su transición de la creación y el estudio de láseres de alta potencia a su uso como herramientas para probar las propiedades ópticas de materiales 2D.

Ese problema tenía similitudes con otros problemas que Chen aborda en su tiempo fuera del laboratorio como escaladora de rocas, una forma de escalada en roca en la que los escaladores trepan por paredes rocosas bajas y escarpadas sin equipo de arnés para atraparlos si se caen.

“En el búlder, las posibles rutas de escalada se denominan problemas y no existe una respuesta correcta para resolverlos”, dijo. Las mejores soluciones no pueden ser forzadas, continuó, “Tienes que idear un plan o no tendrás éxito, ya sea descubriendo cómo explotar las características macroscópicas de una roca o las microscópicas de un cristal diminuto”.