La nanociencia está empeñada en llevarse la luz a su terreno, un mundo diminuto. La nanofotónica estudia la interacción de la luz con objetos muy pequeños, incluso de anchura atómica. Así ocurre en los nanodispositivos basados en grafeno. Miniaturizar los dispositivos ópticos, llevándolos a la escala nanométrica, abre la puerta a interesantes aplicaciones en tecnologías de la información y la comunicación, medicina, seguridad, industria y medio ambiente.

Circuitos ópticos

Uno de los primeros sueños de la nanofotónica fue desarrollar circuitos para computación cien por cien ópticos, semejantes a los circuitos electrónicos que dieron lugar a la era digital. El reto es complejo, de ahí que este empeño se esté realizando por pasos. Disponer de un híbrido optoelectrónico constituiría ya un gran avance. En tales dispositivos, los transistores semiconductores seguirán encargándose de la computación, pero la comunicación entre ellos y el resto de componentes será mediante luz.

Fotones voladores

Los fotones y los electrones se comportan de formas muy diferentes. Explicado de una forma sencilla, los electrones tienden a estar cerca de los núcleos atómicos, debido a las fuerzas de atracción eléctrica entre cargas de distinto signo. Por lo tanto, los electrones se localizan preferentemente en la materia, así que pueden ser controlados con cierta facilidad. La parte negativa de tal nivel de localización es que disipan energía en forma de calor al moverse.

Los fotones en cambio, cuando no son absorbidos por la materia, prefieren ‘volar’ libremente de un lado a otro (lo hacen incluso en vacío). Si los fotones pueden viajar en un medio material, la transmisión de información mediante luz apenas genera pérdidas por calor. Sin embargo, hay un pero: la luz es difícil de controlar en medios sólidos, aunque sean transparentes, y es especialmente difícil hacerlo en escalas nanométricas.

Si quisiéramos utilizar la fibra óptica más avanzada que existe para sustituir los cables metálicos que conectan los transistores de los chips de silicio que hay en nuestros ordenadores, nos encontraríamos con dos problemas.

Si la fibra se dobla, imprescindible en el experimento mental que proponemos, nos encontraríamos con pérdidas de información en las ‘curvas’, ya que hay luz que escapa de la fibra. Además, la luz no podría confinarse en la fibra óptica si la hacemos muy estrecha, debido al límite de difracción óptico. Para que la información no escapara del cable óptico, su grosor debería ser decenas de veces mayor que el de un transistor, cuyo tamaño está por debajo de los 10 nanómetros en la actualidad. Una fibra óptica convencional, que tiene la anchura de un pelo humano, es unas 10.000 veces mayor. Tratar de encauzar la información entre chips con una fibra óptica que tuviera la anchura de un transistor, sería como tratar de hacer pasar por una tubería de riego todo el caudal del Ebro a su paso por Zaragoza.

Memorias RAM y transmisores de datos

La nanofotónica está dando los primeros pasos en la creación de nanodispositivos ópticos para su uso en tecnologías de la información y la comunicación. Podemos encontrar ya los primeros prototipos de memorias RAM ópticas y transmisores de datos basados en cristales fotónicos convencionales, permitiendo la utilización de la luz como agente almacenador y portador de información. Sin embargo, estos cristales fotónicos deben reducirse de tamaño si se pretende alcanzar la integración con los chips de silicio utilizados actualmente en computación. Una posibilidad viene de la mano de los nanodispositivos basados en grafeno y otros materiales bidimensionales.

Otra aplicación en la era de internet con origen en la nanofotónica es el desarrollo de cámaras CCD de alta resolución, cuyos píxeles, los más pequeños fabricados hasta el momento, son redes de agujeros en láminas metálicas ultradelgadas.

En cuestiones relacionadas con el medio ambiente, la nanofotónica tiene mucho que aportar. Los leds están sustituyendo a las ineficientes bombillas incandescentes, que despilfarran la mayor parte de la factura eléctrica en calentar el aire. Ya existen leds con eficiencias y brillo mejorado gracias al uso de nanopartículas de plata ordenadas periódicamente.

También se están desarrollando celdas solares de nueva generación que incorporan ideas de la nanofotónica y que proporcionan un mayor aprovechamiento de la luz solar que incide sobre ellas. Además, estas celdas solares son más pequeñas que las convencionales, lo que se traduce en un ahorro económico sustancial. La evolución de las celdas solares ha sido enorme desde sus comienzos hasta el momento actual.

Destruir tumores y leer el ADN

En medicina, diferentes tipos de nanopartículas metálicas han sido diseñadas para destruir mediante calor (hipertermia) algunos tipos de tumores, dando lugar en algunos casos a tratamientos que ya se encuentran en fase de ensayo clínico. De la misma manera que un coche al sol se calienta más que su entorno, las nanopartículas metálicas, al ser iluminadas, también se calientan, logrando producir muerte celular. El principal reto consiste en ‘conducir’ esas nanopartículas allí donde se encuentran las células tumorales.

La nanofotónica también tiene como objetivo la secuenciación de ADN. Una cadena de ADN (2 nanómetros de anchura) se introduce por un nanoagujero realizado en un metal. El agujero se comporta como una antena y, gracias a la intensificación de la luz que ocurre cerca del mismo, es posible leer la secuencia de bases en el ADN, si cada tipo de base ha sido previamente marcado con una sustancia fluorescente.

Queda mucho por hacer en un campo tan joven y dinámico. Quienes fueron a EGB y crecieron viendo la serie ‘Érase una vez la vida’ recordarán a glóbulos rojos parlanchines caminando junto a plaquetas saltarinas, bajo la estrecha vigilancia de los linfocitos B, a los mandos de naves microscópicas. Quién sabe si, dentro de un tiempo, naves parecidas existirán. Lo seguro es que los faros (al menos) serán pura nanofotónica.

Franklin, D. et al. en ‘Nature Communications’

Con láminas metálicas nanoestructuradas –haciéndoles agujeros y añadiendo un cristal líquido encima– se pueden conseguir los píxeles más pequeños que existen. Los distintos colores que vemos en la imagen de la izquierda se logran aplicando diferentes voltajes. Y todo sucede a muy pequeña escala. Cada una de las fotos (de la A a la D) tiene el tamaño de la cabeza de un alfiler: unos 0,7 x 1 milímetros. En la imagen E se ve el detalle de unos pocos píxeles con el microscopio óptico. De la F a la H, se va haciendo zoom en la estructura mediante un microscopio electrónico. Cada píxel de esas fotos mide 10 x 10 micras (el tamaño de un glóbulo rojo es de unas 7 micras). Cada uno de estos píxeles está formado por unos 1.000 agujeros con un diámetro de 150 nanómetros (un virus como el de la gripe tiene unos 100 nanómetros).

Sergio Gutiérrez Rodrigo Centro Universitario de la Defensa (CUD) de Zaragoza y Luis Martín Moreno Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón