Creación de un láser de vibraciones y no de luz

Unos científicos han desarrollado un innovador dispositivo que genera vibraciones similares al sonido conocidas como fonones, de un modo tal que permite generar un haz como el de la luz láser.

El trabajo lo ha realizado un equipo integrado, entre otros, por Michael Hilke y Zi Tong Wang, de la Universidad McGill en Canadá.

El dispositivo fue fabricado y probado en dicha universidad y en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá. El metamaterial principal del que está hecho fue sintetizado en la Universidad de Princeton, Estados Unidos.

El dispositivo funciona enviando una corriente eléctrica a través de una capa bidimensional (con grosor atómico) de cristal, atrapando electrones en un canal dentro de un área de sólo unos pocos átomos de espesor. Los investigadores descubrieron que cuando los electrones son empujados con suficiente fuerza a través de este canal, liberan energía en forma de ráfagas de fonones, en patrones predecibles y sintonizables.

Esto se consigue enfriando el dispositivo a temperaturas de entre 10 milésimas de grado y 3,9 grados por encima del cero absoluto. El cero absoluto (273,15 grados centígrados bajo cero) es la temperatura más baja que permiten las leyes de la física. Dentro de la citada franja de temperaturas usada por el equipo, los electrones se comportan de manera muy predecible y también es posible observar efectos cuánticos, que ocurren cuando la materia se comporta como ondas en vez de como partículas sólidas.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, donde la física cuántica cobra especial relevancia, no se crea sonido ni nada comparable a menos que los electrones viajen colectivamente a la velocidad adecuada. “En investigaciones anteriores, se observaron efectos relacionados a medida que las velocidades de los electrones se acercaban a la barrera del sonido”, explica Hilke. “En nuestro estudio, llevamos el sistema mucho más allá de ese punto y demostramos que las teorías existentes deben reevaluarse considerando que los electrones pueden alcanzar temperaturas muy elevadas incluso si el cristal hospedador tiene una temperatura cercana al cero absoluto.

El nuevo dispositivo funciona enviando una corriente eléctrica a través de una capa bidimensional de cristal, atrapando los electrones en un canal dentro de un área de tan solo unos pocos átomos de grosor. (Foto: Michael Hilke et al.)

El siguiente paso en esta línea de investigación y desarrollo consistirá en explorar cómo la construcción del dispositivo con otros materiales, como el grafeno, permitiría que funcionara todavía más rápido.

Las aplicaciones prácticas de los fonones debidamente controlados son innumerables. Abarcarían campos como las telecomunicaciones, los sensores, el diseño de nuevos materiales, y diversas tecnologías médicas.

En el caso de las telecomunicaciones submarinas, por ejemplo, un uso idóneo de fonones podría revolucionarlas por completo. “Las telecomunicaciones modernas se basan en gran medida en ondas electromagnéticas y corrientes eléctricas. En un medio como el marítimo, el sonido puede viajar a distancias considerables, mientras que las ondas electromagnéticas y las corrientes eléctricas no pueden”, argumenta Hilke.

Hilke y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo dispositivo en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título “Resonant Magnetophonon Emission by Supersonic Electrons in Ultrahigh-Mobility Two-Dimensional Systems”. (Fuente: NCYT de Amazings)