Investigadores del MIT desarrollan técnica de nanofabricación que permite crear dispositivos de computación óptica

Investigadores del MIT han presentado una técnica de fabricación que podría revolucionar el desarrollo de chips de computación óptica, ofreciendo una alternativa energéticamente eficiente a los semiconductores tradicionales, según un estudio publicado en Nature Photonics.

La técnica, denominada 'tallado por implosión', permite a los científicos crear vacíos en cualquier punto de un material y luego reducirlo a aproximadamente 1/2.000 de su volumen original, según explica Quansan Yang, ex investigador postdoctoral del MIT y ahora profesor asistente en la Universidad de Washington, quien es uno de los autores principales del estudio.

'Para habilitar aplicaciones nanofotónicas en luz visible, necesitamos hacer nanoestructuras con tamaños de características con una resolución menor a 100 nanómetros. Solo de esa manera podemos crear con precisión la estructura que puede manipular la luz visible', dijo Yang.

El proceso comienza con la impresión de características en un hidrogel mediante fotopatterning con una resolución de aproximadamente 800 nanómetros. Estas características luego se reducen a menos de 100 nanómetros, una resolución menor que la longitud de onda de la luz, lo que permite que los dispositivos doblen la luz de maneras específicas para realizar cálculos ópticos, según el MIT.

Los autores principales del estudio son Quansan Yang y Gaojie Yang, ex investigador postdoctoral del MIT. Los autores senior son Peter So, director del Centro de Investigación Biomédica Láser del MIT y profesor de ingeniería biológica e ingeniería mecánica, y Edward Boyden, profesor de neurotecnología en el MIT y profesor de ingeniería biológica, artes y ciencias de los medios, y ciencias cerebrales y cognitivas. Boyden también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes y miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT, el Yang Tan Collective y el Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer.

El proceso de tallado comienza sumergiendo el hidrogel en un tinte fotosensibilizante. Los investigadores utilizan un láser para excitar el fotosensibilizador en lugares específicos del gel, lo que genera especies reactivas de oxígeno que cortan los enlaces que mantienen unido el hidrogel, creando un vacío en ese punto, según el MIT.

Una vez que el patrón de vacíos deseado ha sido tallado en el hidrogel, los investigadores lo reducen mediante un proceso de dos pasos. Primero, lo sumergen en una solución que contiene iones, lo que hace que se reduzca aproximadamente diez veces en cada dimensión. Para reducirlo un poco más y eliminar la solución acuosa, el hidrogel luego se somete a un proceso llamado secado supercrítico, que puede eliminar líquido de un gel sin dañarlo, según la institución.

Al final del proceso, el hidrogel se ha reducido más de diez veces en cada dimensión, lo que lleva a una reducción de 2.000 veces en volumen, según el MIT.

Para demostrar la versatilidad de esta técnica, los investigadores la utilizaron para crear varias formas tridimensionales, incluida una hélice y una estructura inspirada en un ala de mariposa. Algunas de estas estructuras son demasiado delgadas y tienen una relación de aspecto demasiado alta para ser creadas de manera estable utilizando la litografía convencional de dos fotones, según el estudio.

Los investigadores también crearon un dispositivo que podría realizar un cálculo simple conocido como clasificación de dígitos, una tarea que tradicionalmente se utiliza para probar el rendimiento de las redes neuronales. Durante esta tarea, se presentó al dispositivo un dígito, como 1 o 5, y tuvo que iluminar una ubicación específica para indicar qué número se detectó, según el MIT.

Para lograr esto, los investigadores diseñaron vacíos en todo el dispositivo para que actuara como una red neuronal. El patrón de vacíos difractaría la luz de entrada a medida que pasaba a través de muchas capas de hidrogel con patrón, de modo que la luz de salida estaba determinada por la forma del dígito que se ingresó en el sistema, según la institución.

'Este es un sistema puramente óptico que efectivamente realiza computación óptica', dijo So.

'Una de las características muy atractivas de esta tecnología es que puedes manipular la propiedad del material en cada pequeña ubicación', dijo Dushan Wadduwage, profesor asistente en Old Dominion University y ex investigador postdoctoral del MIT, quien también es autor del artículo. 'Tienes millones de ubicaciones diferentes de las que necesitas decidir la propiedad, y eso se convierte en un problema de diseño realmente interesante donde podemos usar algoritmos de aprendizaje profundo para encontrar diseños sobre estos millones de parámetros y crear partes que entren en sistemas ópticos de nuevas maneras'.

Los dispositivos fotónicos, que transmiten y manipulan luz, tienen potencial para usarse como chips de computadora ópticos que podrían ofrecer una alternativa energéticamente eficiente a los chips semiconductores. Sin embargo, las técnicas existentes para crear dispositivos fotónicos tridimensionales aún no han alcanzado la resolución de 100 nanómetros que se necesita para canalizar luz visible, que tiene longitudes de onda entre 380 y 750 nanómetros, según el MIT.

Utilizando una técnica de fabricación aditiva llamada litografía de dos fotones, los investigadores pueden usar luz para crear características nanoscópicas tridimensionales, pero con una resolución mayor a 100 nanómetros. Otra técnica, conocida como litografía de haz de electrones, se puede usar para grabar características de menor resolución en un chip de silicio, pero no genera estructuras tridimensionales, según la institución.

La técnica de tallado por implosión extiende el concepto de 'fabricación por implosión', que el laboratorio de Boyden desarrolló en 2018, según el MIT.

Los investigadores ahora planean usar los mismos principios para construir dispositivos ópticos que podrían clasificar células según su estado a medida que fluyen a través de un dispositivo microfluídico. Esto podría ayudar a identificar células raras como células tumorales circulantes en una muestra de sangre, según el MIT.

Este enfoque también podría permitir la creación de técnicas de imágenes de alto rendimiento para aplicaciones como el análisis de muestras de tejido de biopsias o especímenes quirúrgicos. Y, si se adapta para trabajar con otros materiales como polímeros hidrófobos, también podría usarse para crear canales dentro de dispositivos nanofluídicos tridimensionales, según la institución.

Otros autores del artículo incluyen a Gaojie Yang, Takahiro Nambara, Hiroyuki Kusaka, Yuichiro Kunai, Alex Matlock, Corban Swain, Brett Pryor, Yannick Salamin, Daniel Oran, Hasindu Kariyawasam, Ramith Hettiarachchi y Marin Soljacic, según el MIT.

La investigación fue financiada, en parte, por el Fondo de Asociación MIT-Fujikura, la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados en el MIT, Lisa Yang y Y. Eva Tan, John Doerr, el Proyecto Open Philanthropy, el Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos, según la institución.