Ondas de sonido controlan a ondas de luz en un chip

Durante una tormenta, todos sabemos que es común escuchar el trueno después de ver el relámpago. Eso es porque el sonido viaja mucho más lento (1.235 kilómetros por hora) que la luz (1.080 millones de kilómetros por hora).

Ahora, ingenieros de la Universidad de Minnesota (EE.UU.) han desarrollado un chip en el que se generan y confinan juntas tanto ondas de sonido como ondas de luz, para que el sonido controle de manera eficiente a la luz. Este sistema podría mejorar los sistemas de comunicaciones inalámbricas utilizando fibras ópticas y, en última instancia, ser utilizado para la computación usando física cuántica.

La investigación se ha publicado recientemente en Nature Communications.

El chip de la Universidad de Minnesota está hecho con una base de silicio recubierta con una capa de nitruro de aluminio que lleva a cabo un cambio eléctrico. Aplicando una señal eléctrica alterna al material se hace que el material se deforme periódicamente y generen ondas de sonido que crecen en su superficie, similares a las ondas sísmicas que crecen desde el centro de un terremoto. La tecnología ha sido ampliamente utilizada en los teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos como los filtros de microondas.

"Nuestro hallazgo es integrar circuitos ópticos en la misma capa de material que los dispositivos acústicos para alcanzar una fuerte interacción entre la luz y las ondas de sonido", explica Mo Li, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática e investigador principal del estudio, en la nota de prensa de la universidad.

Nanofabricación

Los investigadores utilizaron la tecnología de nanofabricación más moderna para hacer matrices de electrodos con un ancho de sólo 100 nanómetros (0,00001 centímetros) para excitar ondas de sonido a una frecuencia sin precedentes, superior a 10 gigahercios, la frecuencia utilizada para las comunicaciones por satélite.

"Lo que es notable es que en esta alta frecuencia, la longitud de onda del sonido es aún más corta que la longitud de onda de la luz. Esto se ha logrado por primera vez en un chip", destaca Semere Tadesse, estudiante de posgrado en la Escuela de Física y Astronomía y autor principal del artículo. "En este sistema sin precedentes, el sonido puede interactuar con la luz de forma muy eficiente para conseguir modulación a alta velocidad."

Además de las aplicaciones en las comunicaciones, los investigadores están llevando a cabo aplicaciones de física cuántica con el nuevo dispositivo. Están investigando la interacción entre fotones individuales (la unidad cuántica fundamental de la luz) y fonones individuales (la unidad cuántica fundamental del sonido). Los investigadores pretenden utilizar ondas de sonido como soportes de información para la computación cuántica.

La investigación está financiada por la Fundación Nacional para la Ciencia y la Oficina de Investigaciones Científicas de las Fuerzas Aéreas. El dispositivo fue fabricado en el Nano Center de la Universidad de Minnesota.

El sonido

Otra investigación reciente ha utilizado las ondas de sonido de forma novedosa. Investigadores suecos han conseguido interaccionar con un átomo a través del sonido, es decir, que le han escuchado y han hablado con él. Para ello, acoplaron ondas de sonido a un átomo artificial, creando de ese modo un fonón.

La longitud de onda del sonido es mucho menor que la de la luz, recuerdan los investigadores, por lo que es mucho más fácil controlar el átomo para que se acople sólo a determinadas frecuencias de sonido, por ejemplo. De ese modo podrían crearse ordenadores cuánticos más fáciles de controlar.

Referencia bibliográfica:

Semere Ayalew Tadesse, Mo Li. Sub-optical wavelength acoustic wave modulation of integrated photonic resonators at microwave frequencies. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms6402.