Material barato comprime la luz y abre camino para microcircuitos fotónicos en la banda de terahercios

Un estudio muestra que el yoduro de plomo puede sostener fonón-polaritones, permitiendo confinar la radiación a escala nanométrica y viabilizando nuevos dispositivos de transmisión de datos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un cristal bidimensional lamelar –en capas atómicamente finas– constituido por yoduro de plomo (PbI₂) podría ser utilizado en la fabricación de una nueva generación de circuitos que emplean luz y vibraciones mecánicas (y no electrones) para transmitir información en la banda de frecuencias de terahercios.

El estudio sobre esta prometedora vía tecnológica, publicado en Nature Communications, fue realizado por investigadores del Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), en Brasil, en colaboración con colegas de la Université de Lille (Francia) y de otras instituciones del exterior.

La banda de terahercios corresponde a una región de baja energía del espectro electromagnético, situada entre el infrarrojo y las microondas. Aun así, se considera estratégica para el desarrollo de tecnologías de comunicación de alta velocidad. “Hoy, Wi-Fi y 5G operan en frecuencias de pocos gigahercios (GHz, 10⁹ hertz). Pero existe interés en avanzar hacia cientos de gigahercios o incluso terahercios (THz, 10¹² hertz), porque cuanto mayor es la frecuencia, mayor es el ancho de banda y la capacidad de transmisión de datos”, afirma Raul de Oliveira Freitas, responsable de la línea de luz “Imbuia” en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS-CNPEM) y coordinador del estudio.

El trabajo investigó cómo, a partir del yoduro de plomo, un material barato, es posible producir de forma muy simple un cristal en capas de altísima calidad, capaz de actuar como guía de onda para radiación en esta banda de frecuencias. La plataforma podría funcionar como resonador, estructura que confina la luz y selecciona frecuencias específicas, amplificando ciertos modos de oscilación; divisor de haz, dispositivo que separa un haz de luz en dos o más trayectorias, permitiendo distribuir la señal óptica; o modulador, componente que altera propiedades de la luz –como intensidad, fase o frecuencia– para codificar información.

El aspecto más innovador del trabajo radica en la capacidad de confinar la luz en volúmenes extremadamente pequeños – mucho menores que su longitud de onda. “En la banda de terahercios, la luz tiene longitudes de onda de cientos de micrómetros. Lo que hacemos es confinar esa luz en regiones submicrométricas”, explica Freitas.

Este efecto es posible gracias a la formación de fonón-polaritones, cuasipartículas híbridas que combinan vibraciones de los átomos de la red cristalina (fonones) con luz. “Es como si el fonón se vistiera de luz, formando una cuasipartícula con propiedades únicas. Las características de propagación e interacción con la materia de estas cuasipartículas son diferentes tanto de la luz aislada como de los fonones aislados”, comenta el investigador.

El confinamiento extremo de la luz implica operar más allá del llamado límite de difracción, que restringe la resolución de los sistemas ópticos convencionales. “En la óptica clásica, no es posible observar o manipular estructuras mucho menores que la longitud de onda de la luz. Con los polaritones, logramos superar este límite”, señala Freitas.

Para ello, los investigadores utilizaron microscopía de barrido óptico de campo cercano del tipo dispersión (s-SNOM), técnica que emplea puntas metálicas nanométricas para la compresión extrema del campo electromagnético. “La punta funciona como una antena y genera un hotspot de campo eléctrico con dimensiones del orden de decenas de nanómetros, independientemente de la longitud de onda original. Esto permite reducir drásticamente la escala espacial de la luz. Además, la densidad de campo eléctrico en sondas s-SNOM es hasta 10⁵ veces mayor que en ondas libres, lo que explica la superioridad de la técnica para investigaciones en nanofotónica. Logramos confinar una onda de 200 micrómetros en un volumen de dimensiones inferiores a 50 nanómetros”, informa Freitas.

Otro resultado central del estudio fue el alto factor de calidad de los fonón-polaritones en el PbI₂. Se trata de una medida de cuánto tiempo se mantiene la oscilación antes de disiparse. “Cuanto más tiempo oscila el sistema, mayor es el factor de calidad. El PbI₂ presentó un desempeño comparable al del nitruro de boro hexagonal (hBN), que es el material de referencia en la banda infrarroja”, concluye Freitas.

Sustituto simple y sostenible

A diferencia del yoduro de plomo, el nitruro de boro hexagonal (hBN) es un material extremadamente difícil de sintetizar, ya que exige condiciones extremas de presión y temperatura. Incluso después de más de dos décadas de investigaciones con hBN, muy pocos grupos en el mundo dominan la producción de este material con alta calidad. Además, sus propiedades lo hacen adecuado para el infrarrojo medio, pero no para la banda de terahercios.

En cambio, el yoduro de plomo tiene como precursores dos elementos abundantes en la naturaleza, y por ello baratos: el yodo y el plomo. Y puede cristalizarse de forma extremadamente simple. “Basta con disolver la sal en agua hasta obtener una solución sobresaturada y calentarla a unos 80 °C, algo que puede hacerse incluso en una cocina doméstica. Durante el enfriamiento, el material cristaliza, formando estructuras que pueden recolectarse”, dice el investigador.

La posibilidad de manipular la luz a escala nanométrica abre el camino para circuitos fotónicos integrados, capaces de sustituir o complementar los circuitos electrónicos. “Actualmente, el tráfico de información dentro de los dispositivos se realiza mediante electrones. Utilizar luz puede aumentar drásticamente la velocidad y reducir las pérdidas. Es algo análogo a lo que ocurrió en el campo de las telecomunicaciones. Antes utilizábamos cables eléctricos; hoy empleamos fibras ópticas, que permiten velocidades mucho mayores. El mismo principio puede trasladarse al interior de los chips. Y, además de la mayor velocidad, hay ganancias energéticas: la luz sufre muchas menos pérdidas que las corrientes eléctricas. Esto puede dar lugar a soluciones más eficientes y sostenibles”, argumenta Freitas.

El yoduro de plomo también es relevante en otra área estratégica: la de las tecnologías basadas en perovskitas. Las perovskitas son materiales con una estructura cristalina específica, del tipo ABX₃, donde A es un catión mayor (orgánico o inorgánico), B es un catión metálico menor y X es un anión, generalmente un halógeno (como I⁻, Br⁻ o Cl⁻). Debido a su alta eficiencia en la absorción y conversión de la luz, esta clase de materiales se utiliza ampliamente en células solares y dispositivos optoelectrónicos. Por ello, actualmente existe una verdadera explosión de investigaciones relacionadas con las perovskitas.

Como el PbI₂ es un precursor típico para la síntesis de perovskitas, comprender sus propiedades puede ayudar a entender los mecanismos de degradación de las perovskitas, un tema que está haciendo que muchos investigadores se rompan la cabeza.

Las derivaciones del trabajo incluyen la implementación de una nueva infraestructura experimental en el CNPEM. “Ya operamos, en Sirius, una estación de nanoespectroscopía en el infrarrojo, llamada Imbuia. Ahora estamos estructurando la línea Tatu, dedicada a los terahercios. La nueva línea permitirá explorar una amplia clase de materiales con propiedades similares a las del yoduro de plomo. Será una instalación única en el mundo, que permitirá estudiar el comportamiento de estos materiales en diversas frecuencias. El fuerte apoyo de la FAPESP está siendo fundamental para ello”, subraya Freitas.

Aunque aún en etapa de ciencia fundamental, el estudio apunta a un amplio horizonte tecnológico relacionado con la transmisión y, eventualmente, el procesamiento de información. “La expectativa de la comunidad científica es lograr que los circuitos de luz estén cada vez más presentes en los dispositivos cotidianos”, resume Freitas.

El estudio fue apoyado por la FAPESP por medio de los proyectos 19/14017-9, 22/14245-4, 24/09159-7 y 23/09839-5.

El artículo High quality-factor terahertz phonon-polaritons in layered lead iodide puede leerse en: www.nature.com/articles/s41467-026-69027-6.