Desarrollan un nuevo tipo de interruptor de fotones multiplataforma de aplicación en tecnología cuántica
05/02/2020
Un equipo internacional liderado por el Instituto de Ciencia de los Materiales (ICMUV) de la Universitat de València (UV) ha desarrollado un interruptor óptico (cuántico) que modifica las propiedades de emisión de los fotones, las partículas de la radiación electromagnética. El nuevo dispositivo trabaja con tiempos de conmutación ultrarrápidos y consumos energéticos muy bajos y frente a otros diseños puede ser implementado en gran variedad de plataformas semiconductoras, de gran aplicación en las actuales tecnologías cuánticas.
El equipo coordinado por Guillermo Muñoz Matutano, recientemente reincorporado al ICMUV, ha publicado en la revista Communications Physics, de la editorial Nature Publishing Group, el diseño, la construcción, la medida experimental y la simulación de este interruptor de fotones.
El principio de operación del dispositivo se basa en la tecnología de semiconductores nanoestructurados de confinamiento cuántico, que son pequeñas estructuras de tamaño nanométrico capaces de absorber y de emitir luz. Las propiedades ópticas de estos materiales, llamados puntos cuánticos, son semejantes a las de los átomos aislados y su emisión de luz se produce fotón a fotón. Resultan muy interesantes para desarrollar tecnologías cuánticas, ya que los fotones aislados o pares de fotones se pueden utilizar para reproducir estados de superposición o de entrelazamiento.
En la actualidad, uno de los desafíos científicos y tecnológicos en este campo se dirige hacia el desarrollo de puertas lógicas y circuitos ópticos que puedan realizar operaciones con fotones, y de esta forma trabajar y modificar la información bajo la descripción cuántica. Por ello, resultan necesarias herramientas y materiales que puedan afectar la emisión de los fotones de forma individual. De todos ellos, los que manipulan y controlan los fotones usando luz son muy interesantes, ya que se pueden construir sistemas encadenados o pueden representar grandes reducciones de consumo energético. Este es el caso de los dispositivos todo-ópticos (del inglés, All-optical).
La idea principal del trabajo surgió a través de una colaboración con el investigador Massimo Gurioli, de la Universidad de Florencia y del Laboratorio Europeo de Espectroscopia no Lineal. Bajo esta colaboración se estudiaron los procesos de acumulación y saturación de la carga en puntos cuánticos de arseniuro de indio (InAs) en función de la potencia y el color del láser de iluminación.
Una de las propiedades destacadas del nuevo dispositivo es que junto a la conmutación temporal se puede añadir una conmutación del color del fotón emitido (su longitud de onda) si se emplean dos láseres diferentes. Esta cualidad permite pensar en dispositivos para multiplexar fotones por longitud de onda (combinar dos o más canales de información en un medio de transmisión), de forma que cada color del fotón se asocie con uno de estos canales. Finalmente, el principio físico por el que opera el dispositivo lo cumplen muchas otras nanoestructuras de confinamiento cuántico, por lo que este nuevo diseño representa un esquema general que puede ser implementado en una gran variedad de plataformas semiconductoras.
La investigación llevada a cabo por una red de universidades, incluye a la Unidad de Materiales y Dispositivos Optoelectrónicos (UMDO) del ICMUV, que lidera Juan P. Martínez Pastor, catedrático del Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo. Los materiales principales del dispositivo los fabricó el grupo de Luca Saravalli, investigador del CNR italiano, mientras que la simulación de su funcionamiento se realizó a través de una colaboración con Mattias Johnsson y Thomas Volz, del ARC Engineered Quantum Systems (EQUS) de Australia, donde Guillermo Muñoz ha trabajado como investigador sénior en los 3 últimos años.
Guillermo Muñoz es investigador principal del proyecto Puntos fotónicos con semiconductores bidimensionales, financiado por la última convocatoria de Proyectos de I+D+i «Retos investigación» correspondientes al programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad. El objetivo de este proyecto es desarrollar nuevos dispositivos optoelectrónicos dentro del ámbito de las nuevas tecnologías cuánticas basadas en semiconductores de baja dimensionalidad.
Referencia bibliográfica
Muñoz-Matutano, M. Johnsson, J. Martínez-Pastor et al. All optical switching of a single photon stream by excitonic depletion. Commun Phys 3, 29 (2020).
Grupo de investigación Optoelectronic Materials and Devices Unit.