La forma en que los electrones interactúan con los fotones de luz es una parte clave de muchas tecnologías modernas, desde láseres hasta paneles solares y LED. Pero la interacción es intrínsecamente débil debido a un gran desajuste en la escala : una longitud de onda de luz visible es aproximadamente 1000 veces más grande que un electrón, por lo que la forma en que las dos cosas se afectan entre sí está limitada por esa disparidad.

Ahora, los investigadores del MIT y otros lugares han ideado una forma innovadora de hacer posibles interacciones mucho más fuertes entre fotones y electrones, en el proceso produciendo un aumento de cien veces en la emisión de luz de un fenómeno llamado radiación de Smith-Purcell. El hallazgo tiene implicaciones potenciales tanto para las aplicaciones comerciales como para la investigación científica fundamental, aunque requerirá más años de investigación para que sea práctico.

Los hallazgos se informan hoy en la revista Nature, en un artículo de los posdoctorados del MIT Yi Yang (ahora profesor asistente en la Universidad de Hong Kong) y Charles Roques-Carmes, los profesores del MIT Marin Soljačić y John Joannopoulos, y otros cinco en el MIT, Universidad de Harvard y Technion-Instituto de Tecnología de Israel.

En una combinación de simulaciones por computadora y experimentos de laboratorio, el equipo encontró que usando un haz de electrones en combinación con un cristal fotónico especialmente diseñado, una losa de silicio en un aislante, grabada con una serie de agujeros a escala nanométrica, podrían Predice teóricamente una emisión más fuerte en muchos órdenes de magnitud de lo que normalmente sería posible en la radiación Smith-Purcell convencional. También registraron experimentalmente un aumento de cien veces en la radiación en sus mediciones de prueba de concepto.

A diferencia de otros enfoques para producir fuentes de luz u otra radiación electromagnética, el método basado en electrones libres es totalmente ajustable : puede producir emisiones de cualquier longitud de onda deseada, simplemente ajustando el tamaño de la estructura fotónica y la velocidad de los electrones. Esto puede hacerlo especialmente valioso para crear fuentes de emisión en longitudes de onda que son difíciles de producir de manera eficiente, incluidas las ondas de terahercios, la luz ultravioleta y los rayos X.

El equipo ha demostrado hasta ahora la mejora de cien veces en la emisión utilizando un microscopio electrónico reutilizado para que funcione como una fuente de haz de electrones. Pero dicen que el principio básico involucrado podría potencialmente permitir mejoras mucho mayores utilizando dispositivos específicamente adaptados para esta función.

El enfoque se basa en un concepto llamado bandas planas, que se han explorado ampliamente en los últimos años para la fotónica y la física de la materia condensada, pero nunca se han aplicado para afectar la interacción básica de los fotones y los electrones libres. El principio subyacente implica la transferencia de momento del electrón a un grupo de fotones, o viceversa. Mientras que las interacciones luz-electrón convencionales se basan en la producción de luz en un solo ángulo, el cristal fotónico se sintoniza de tal manera que permite la producción de una amplia gama de ángulos.

El mismo proceso también podría usarse en la dirección opuesta, usando ondas de luz resonantes para impulsar electrones, aumentando su velocidad de una manera que podría aprovecharse para construir aceleradores de partículas miniaturizados en un chip. En última instancia, estos podrían realizar algunas funciones que actualmente requieren túneles subterráneos gigantes, como el Gran Colisionador de Hadrones de 30 kilómetros de ancho en Suiza.

« Si realmente pudieras construir aceleradores de electrones en un chip », dice Soljačić, « podrías hacer aceleradores mucho más compactos para algunas de las aplicaciones de interés, que aún producirían electrones muy energéticos. Eso obviamente sería enorme. Para muchas aplicaciones, no tendrías que construir estas enormes instalaciones ».

El nuevo sistema también podría proporcionar potencialmente un haz de rayos X altamente controlable para fines de radioterapia, dice Roques-Carmes.

Y el sistema podría usarse para generar múltiples fotones entrelazados, un efecto cuántico que podría ser útil en la creación de sistemas computacionales y de comunicaciones basados ​​en cuántica, dicen los investigadores. « Puedes usar electrones para acoplar muchos fotones, lo cual es un problema considerablemente difícil si se usa un enfoque puramente óptico », dice Yang. « Esa es una de las direcciones futuras más emocionantes de nuestro trabajo ».

Queda mucho trabajo por hacer para traducir estos nuevos hallazgos en dispositivos prácticos, advierte Soljačić. Puede llevar algunos años desarrollar las interfaces necesarias entre los componentes ópticos y electrónicos y cómo conectarlos en un solo chip, y desarrollar la fuente de electrones necesaria en el chip que produzca un frente de onda continuo, entre otros desafíos.

« La razón por la que esto es emocionante », agrega Roques-Carmes, « es porque se trata de un tipo de fuente bastante diferente ». Si bien la mayoría de las tecnologías para generar luz están restringidas a rangos muy específicos de color o longitud de onda, y « generalmente es difícil mover esa frecuencia de emisión. Aquí es completamente sintonizable. Simplemente cambiando la velocidad de los electrones, puede cambiar la frecuencia de emisión…. Eso nos emociona sobre el potencial de estas fuentes. Debido a que son diferentes, ofrecen nuevos tipos de oportunidades ».

Pero, concluye Soljačić, « para que sean verdaderamente competitivos con otros tipos de fuentes, creo que se necesitarán algunos años más de investigación. Yo diría que con un esfuerzo serio, en dos a cinco años podrían comenzar a competir en al menos algunas áreas de radiación ».

El equipo de investigación también incluyó a Steven Kooi en el Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT, Haoning Tang y Eric Mazur en la Universidad de Harvard, Justin Beroz en el MIT e Ido Kaminer en el Instituto de Tecnología Technion-Israel. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.