FIBRAS DE CRISTAL FOTONICO PARA FILTRAR LUZ

Las fibras de vidrio se utilizan generalmente para transportar la luz a través de distancias largas – por ejemplo, la transmisión rápida de datos a través de Internet. Fibras de cristal fotónico (PCF) son una nueva variante de dichas fibras ópticas, que actualmente se usa principalmente en la investigación básica. Su sección transversal es una reminiscencia de un panal de pequeños tubos huecos que rodean el núcleo de ejecución a lo largo de la fibra circular. Se aseguran de que la única luz viaja en el núcleo donde se transporta con baja pérdida.
El comportamiento de transmisión de fibras de cristal fotónico cambia de manera significativa si se tuercen alrededor de su eje longitudinal – la transmisión de ciertas longitudes de onda se convierte en mucho más pobre. La fibra óptica se convierte en espiral y funciona como un filtro. El comportamiento se puede controlar muy fácilmente a través de la variante: con un toque más fuerte, las caídas en cambios de la transmisión hacia longitudes de onda mayores.
El equipo de investigadores que trabajan en Erlangen liderada por Philip Russell ha estudiado este efecto en detalle. Se aseguraron un extremo de un PCF y se utiliza un motor para hacer girar el otro con precisión alrededor de su eje durante la exploración de un láser de dióxido de carbono a lo largo de la fibra para calentar y ablandar el vidrio. La luz de una fuente supercontinuum, capaz de emitir luz casi igualmente en un amplio intervalo de longitudes de onda, se puso en marcha a continuación en el núcleo de la fibra retorcida y un analizador de espectro óptico utilizado para medir el espectro de transmisión, es decir, para averiguar qué longitudes de onda están suprimidos particularmente eficaz .
En el experimento, la transmisión en la gama de longitud de onda de 400 a 1000 nanómetros sumergió claramente en cuatro puntos que, como se esperaba, desplazado hacia longitudes de onda mayores cuando el PCF fue más retorcido. Los científicos también encontraron muy buen acuerdo con las simulaciones: “En estudios previos se explica el filtro con una especie de efecto red”, dijo Philip Russell. “Sin embargo, las longitudes de onda de los mínimos de transmisión habría tenido que aumentar con la duración del ciclo de giro. Nuestras medidas y las simulaciones muestran que exactamente lo contrario debe ser el caso.”
Russell explica el efecto del filtro con una analogía del siglo 19: en 1878, el físico Inglés John William Strutt (Lord Rayleigh) notó que el sonido se guió en un recorrido circular alrededor de la cúpula de la catedral de St. Paul en Londres. Esta “galería de los suspiros” efecto también existe en la óptica, por ejemplo cuando la luz rebota alrededor dentro de una microesfera de vidrio muchas veces, formando una resonancia de alta calidad en ciertas longitudes de onda ópticas.
Algo similar sucede con las longitudes de onda que se filtran en las fibras de cristal fotónico trenzados: resonancias orbitales aparecen en el revestimiento en forma de panal, causando poder para drenar lateralmente desde el núcleo en lugar de fluir hacia el frente, de modo que sólo muy poco de que llegue a la otro extremo. “Con una cámara sensible, sería posible ver el lado de las fibras que brillan con los colores que se ven particularmente fuertemente reprimidas”, explica Russell.
El científico anticipa interesantes aplicaciones técnicas para el efecto:. “Lo que es particularmente atractivo de todo es que podemos girar las PCF casi cualquier forma que desee después de que se han hecho Esto significa, por ejemplo, que tenemos una gran flexibilidad en la toma de filtros para longitudes de onda específicas. ” Estos componentes desempeñan un papel importante en muchas áreas: para la transferencia de datos ópticos, así como para sensores, láseres de fibra y amplificadores ópticos. También es posible variar la torsión a lo largo de las fibras, que permite que muchos filtros diferentes que se creará. Y, por último, esto hace que sea posible modificar las respuestas lineales y no lineales de las fibras y así influir en dos parámetros importantes para la generación de un supercontinuum.

PUNTOS CUÁNTICOS AUMENTAN RENDIMIENTO DE CÉLULAS SOLARES.

Una nueva forma de extender la vida útil de los portadores de carga en las células solares ha sido revelada por los investigadores en España. La técnica implica la creación de un agregado de dos tipos diferentes de puntos cuánticos, que pueden ser realizados utilizando bajo costo de procesamiento de solución-técnicas. Según los investigadores, el método podría utilizarse para aumentar el rendimiento de células solares – incluso aquellos basados en materiales fotovoltaicos que tienen propiedades optoelectrónicas relativamente pobres.
Solución transformados-células solares inorgánicos se hacen depositando capas de puntos cuánticos – piezas diminutas de semiconductores-en suspensión coloidal. Los dispositivos han demostrado ser prometedores mucho, ya que pueden absorber la luz sobre un amplio espectro de longitudes de onda. Este es un resultado del hecho de que los huecos de la banda electrónicos en un punto cuántico puede ser sintonizado sobre un rango de energía grande, simplemente cambiando el tamaño del punto. También son relativamente baratos de producir.
Sin embargo, sólo un número limitado de materiales han sido explotados en este tipo de célula solar. Cuando la luz es absorbida por una célula solar que libera pares de portadores de carga (electrones y huecos), que deben soportar durante un tiempo suficientemente largo para viajar a través del dispositivo a donde puede llegar a ser una corriente eléctrica útil. El problema es que sólo un puñado de materiales – dos ejemplos comunes son los puntos cuánticos de plomo o cadmio-basado – tienen una vida útil de transporte que sean lo suficientemente largos.
Evitar los elementos tóxicos
“Sin embargo, el plomo y el cadmio-basados en puntos cuánticos se basan en elementos tóxicos, por lo que nosotros, los investigadores están buscando activamente otros materiales, más seguros, incluso si sus propiedades optoelectrónicas son más pobres – pero entonces necesitamos una estructura del dispositivo para adaptarse a ellos de una manera útil manera “, explica Gerasimos Konstantatos del Institut de Ciències Fotoniques en Barcelona, quien dirigió esta última investigación.
Konstantatos equipo creó un “bulto de nano-heterounión” en un dispositivo de célula solar que consta de tipo p y los semiconductores de tipo n. Los dos materiales se mezclan de tal manera que, cuando se expone a la luz solar, fotogenerada pares electrón-hueco fueron capaces de separar en la nanoescala y los viajes a lo largo del dispositivo a través de dos caminos muy diferentes, algo que reduce las posibilidades de que recombinar.
El dispositivo constaba de un nanocompuesto que comprende una mezcla de p-tipo PBS puntos cuánticos y de tipo n Bi 2 de Si 3 puntos cuánticos (ver figura). Esta mezcla se intercala entre una capa de puros Bi 2 de Si 3 puntos cuánticos – que transporta electrones y los huecos bloques – y una capa de PbS puntos cuánticos, que tiene las propiedades de transporte opuestas. Para determinar la eficacia relativa de la capa de mezcla, el equipo también “dispositivos de doble capa” con una unión abrupta entre los dos tipos de puntos cuánticos. Konstantatos y sus colegas encontraron que la eficiencia energética de conversión de la mayor parte de nano-dispositivos de heterounión se encontró que alrededor del 4,8%, un valor que es tres veces mayor que los dispositivos de doble capa con uniones fuertes.
Vida útil más larga
Para calcular la razón de esta mejora de la eficiencia, el miembro del equipo de Arup Rath y sus colegas comenzaron a medir los tiempos de vida de los portadores de carga en los dispositivos, mientras que la exposición de las células a diferentes intensidades ópticas. Aunque ambos dispositivos presentan una larga vida útil en la baja intensidad de luz, a altas intensidades similares a la luz solar, el dispositivo contiene operadores con cortos tiempos de vida, porque de electrones y agujeros se combinan a un ritmo más rápido aquí. Los portadores en la mayor parte de nano-heterounión dispositivo, por otro lado, parece que durar tres veces más largo que en la estructura bicapa desde los electrones y los huecos se recombinan en una tasa significativamente más lenta.
“A pesar de la eficiencia energética de la conversión de nuestras células es todavía un poco más bajo que los dispositivos de registro de eficiencia basados en puntos cuánticos de PbS y electrodos de óxido de titanio de tipo n, que demuestra la prueba de principio”, dice Konstantatos. “Lo que es más, a diferencia de estudios anteriores que se basaban en cualquiera de farfulló electrones de óxido-aceptantes o sinterización de alta temperatura a 500 ° C, nuestra técnica funciona con una solución totalmente basada en procesos y en las bajas temperaturas de menos de 100 ° C – no ventajas insignificantes para el bajo costo de rollo a rollo de fabricación, por ejemplo”.
Los resultados se describen en la revista Nature Photonics .

LA INVISIBILIDAD, EL VIDRIO Y LOS METAMATERIALES

El poder de hacer desaparecer a alguien o a algún objeto hasta convertirlo en invisible siempre ha fascinado a la humanidad.
En la Universidad Tecnológica de Michigan, Elena Semouchkina está trabajando para lograrlo. Te contamos algunos detalles de su trabajo.
Eso es exactamente lo que está haciendo Elena Semouchkina, profesora de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad Tecnológica de Michigan. Ella ha encontrado maneras de utilizar la resonancia magnética para captar los rayos de la luz visible y la ruta que ésta toma en torno a objetos hasta lograr hacerlos invisibles al ojo humano. Semouchkina y sus colegas de la Universidad Estatal de Pensilvania, donde también es profesora, recientemente informaron sobre su investigación en la revista Applied Physics Letters, publicada por el Instituto Americano de Física. Los co-autores son Douglas Werner, Carlo Pantano y Semouchkin George. En la publicación se describe el desarrollo de una capa no metálica que utiliza resonadores idénticos dentro de un cristal de vidrio de calcogenuro, un tipo de material dieléctrico que no es conductor de la electricidad. En simulaciones por ordenador, una capa específica de este tipo de cristal hecha sobre objetos afectados por ondas de infrarrojos (es decir, con longitudes de onda de cerca de un micrón o una millonésima de un metro de largo) sencillamente provoca que estos objetos desaparezcan de la vista, es decir, se tornen invisibles.
 La primera aplicación de los vidrios de calcogenuro tuvo lugar en el campo de la xerografía, pero en los años 60 del siglo pasado encontraron utilidad en el área de las nanotecnologías aprovechando la diferencia de conductividad eléctrica entre las fases vítreas y cristalinas que este tipo de cristal posee. Este fenómeno dio lugar a su incorporación en circuitos opto-electrónicos. El proceso tiene lugar por la “amorfización” y “re-cristalización local” de una capa de vidrio de calcogenuro. Se calienta localmente la capa cristalizada hasta una temperatura superior a su punto de fusión por medio de un impulso láser. Luego de esto, la zona caliente se enfría a una gran velocidad, muy superior a la velocidad crítica de amorfización del calcogenuro, dando lugar a la formación en la matriz cristalizada de una marca amorfa con una conductividad eléctrica diferente. Mediante la medición de las propiedades reflectivas (óptica) resultantes es posible leer la información registrada en el material. Primero fue Matsushita la que comenzó con la fabricación de discos DVD y posteriormente Intel y Samsung introdujeron esta tecnología en memorias RAM capaces de alcanzar velocidades de conmutación muy grandes con consumos eléctricos muy bajos y densidades de información altísimas.
Los anteriores intentos por parte de otros investigadores utilizaban anillos de metal y alambres. “El nuestro es el primero en hacer “el encubrimiento” sobre objetos cilíndricos empleando vidrio”, dijo Semouchkina. Su capa de invisibilidad utiliza metamateriales que en la práctica son materiales artificiales con propiedades que no existen en la naturaleza. Esta capa está hecha de resonadores de cristales minúsculos dispuestos en un patrón concéntrico dentro de la forma de un cilindro. Los “rayos” de la configuración concéntrica producen la resonancia magnética requerida para “doblar” las ondas de luz alrededor de un objeto, y este fenómeno transforma a dicho objeto en invisible. Los metamateriales empleados en el proceso se comportan como pequeños resonadores en lugar de átomos o moléculas de materiales naturales. Y gracias a esta propiedad se sitúan en un espacio intermedio entre los materiales convencionales utilizados por la ciencia y la ingeniería eléctrica. Según la Sociedad Americana de Física, los metamateriales son considerados uno de los tres descubrimientos más importantes de la década en el campo de la física.
En la actualidad, Semouchkina y su equipo están experimentando con un manto de invisibilidad para trabajar a frecuencias de microondas. En este caso, el manto está construido a partir de resonadores cerámicos. Están utilizando para este trabajo la cámara anecoica de la Universidad Tecnológica de Michigan, esto es, una habitación (con el aspecto de una dantesca caverna), dentro del laboratorio del Centro de Recursos de Energía Eléctrica, en cuyas paredes hay (estratégicamente alineados) conos de espuma altamente absorbente de color gris carbón. Vale aclarar que estos espacios especiales se utilizan para simular los ensayos como si se estuviera trabajando a campo abierto (por ello, todas las paredes se recubren de material absorbente). Allí, las antenas de transmisión y recepción utilizan el espectro de las microondas, que poseen longitudes de onda mayores que la luz infrarroja y alcanzan resonancias de hasta varios centímetros de largo. Utilizando estos medios, han logrado “hacer desaparecer” cilindros metálicos de 5 a 8 centímetros de diámetro y de 8 a 10 centímetros de alto.
“A partir de estos experimentos, queremos pasar a frecuencias más altas y longitudes de onda más pequeñas”, apuntó la investigadora. “Las aplicaciones más emocionantes serán cuando alcancemos el espectro de las frecuencias de la luz visible.” ¿Así que algún día será posible que la policía pueda ocultar todo un equipo SWAT o el Ejército pueda hacer lo mismo con un tanque? “Es posible en principio, pero no en este momento”, dijo Semouchkina.

Fuente:  Michigan Tech