Científicos MIRO UdeC crean cristal capaz de convertir frecuencias ópticas

Un novedoso material, de tamaño récord y potentes propiedades de uso óptico, se desarrolló tras siete años de estudios y experimentos de investigadores del centro.

Un cristal capaz de transformar las características de un rayo láser ha sido desarrollado y probado en Chile por investigadores del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO, por siglas de Millennium Institute for Research in Optics) que lidera la Universidad de Concepción (UdeC) y alojan también las universidades de Chile, Los Andes, de Santiago de Chile (Usach) y Católica (UC).

Un hito científico de nivel mundial, de alto impacto por sus posibles aplicaciones y que llega a la más extrema frontera del conocimiento en las ciencias físicas, siendo recientemente publicado en la prestigiosa revista Advanced Optical Materials (Materiales Ópticos Avanzados) a través del artículo “Conversión óptica de frecuencias con fase coherente en un cristal de Redes Metal-Orgánicas Zn(3-ptz) de tamaño milimétrico”, disponible en línea y gratis.

La investigación y desarrollo fue fruto del trabajo de tres grupos diferentes de científicos del MIRO. Siete años de estudios y pruebas son la trayectoria que condujo a la creación de los primeros cristales de redes metal-orgánicos de tamaño macroscópico con usos ópticos y que se patentaron como MIRO101.

“Es un resultado muy hermoso desde el punto de vista tanto teórico como experimental dentro de la física y es una primicia mundial, porque es la primera vez en el mundo que cristales o sustancias metal-orgánicas se llevan a la forma de un cristal macroscópico. Ha habido otros intentos antes, pero no han sido tan exitosos como el desarrollado por nuestros investigadores”, aseveró Aldo Delgado, director del MIRO y académico del Departamento de Física de la UdeC, para expresar la gran trascendencia del trabajo en lo científico e institucional en cuanto al posicionamiento de liderazgo en el área.

El desarrollo

Lo que en la práctica significa la hazaña del equipo es que crearon en Chile, demostrándolo con evidencias que se consolidan en la publicación, nuevos cristales capaces de convertir frecuencias ópticas, por ejemplo, una luz láser infrarroja en luz verde.

“Esta clase de cristales orgánicos sólo se habían estudiado con microcristales. Es decir, en forma de polvo. Por lo tanto, era muy difícil determinar las propiedades ópticas de este cristal. Los resultados eran siempre de naturaleza estadística y, por tanto, inexactos”, sostuvo Birger Seifert, investigador del MIRO y académico UC. “Con la publicación de nuestro trabajo y la utilización por primera vez de cristales de tamaño milimétrico, casi centimétrico, ahora se conocen con precisión las propiedades ópticas lineales y no lineales de estos cristales orgánicos”.

Claro que un primer gran desafío fue crear cristales orgánicos transparentes de gran tamaño y que no se derritieran con el calor de un láser, para lo que decidieron añadir ligandos orgánicos con metales y desarrollaron numerosos estudios.

“Hemos estado trabajando experimentalmente con estos cristales desde el año 2016”, contó el investigador de MIRO y académico de la Usach Dinesh Pratap. “Fue un gran reto sintetizar cristales de redes metal orgánicas puros, libres de todas las impurezas y otro tipo de materiales durante la síntesis. Además, tuvimos que cultivar un cristal de un tamaño superior, que era un requisito básico para observar la generación de segundo y tercer armónico”, destacó.

Desde allí, Aldo Delgado enfatizó el alcance de este desarrollo en relación con su impacto para sectores relevantes para el devenir de la sociedad contemporánea, ya que los láseres son de amplio uso en campos como medicina, telecomunicaciones o comunicación óptica, por lo que el pionero desarrollo podría ayudar a generar nuevos desarrollos para la industria. En ese sentido, afirmó que “tenemos las certezas de que estos cristales pueden tener grandes aplicaciones en la industria de las telecomunicaciones y en las nacientes tecnologías cuánticas”.

Trabajo científico

Cada uno de los grupos aportó en distintos aspectos.

En la síntesis y pulido trabajó el equipo liderado por el investigador principal Dinesh Singh de la Usach junto a Juan Manuel García, Javier Enríquez e Ignacio Chi-Durán. El diseño teórico y computacional lo realizó el investigador asociado Usach Felipe Herrera junto a Rubén Fritz. La etapa de caracterización de las propiedades ópticas se realizó en la UC por el investigador asociado Birger Seifert junto a Diego Hidalgo, Robert Alastair Wheatley y Ricardo Rojas-Aedo.

Cristales MIRO101: superar un reto fundacional para el centro de excelencia

Está a la vista por qué desarrollar los cristales MIRO101 es tan importante para el MIRO, pero hay varios argumentos más para sustentarlo desde el ser una primicia e hito científico global.

Una misión desde el origen

El año pasado el MIRO cumplió cinco años de trabajo y la Iniciativa Científica Milenio renovó el financiamiento para continuar por el mismo plazo, tras una exitosa evaluación de una comisión de expertos internacionales. Y una tremenda significancia es que crear estos cristales metal-orgánicos para aplicaciones ópticas era una misión y reto fundacional, un proyecto que se planteó junto con su creación, relevó su director Aldo Delgado.

Al respecto, aclaró que el desarrollo del pionero material se enmarca en la línea de investigación “Fuentes de Luz”, una de las cuatro del centro. “Esta línea está orientada a buscar sistemas físicos para producir luz de manera eficiente y cumpliendo algunas características especiales, dependiendo del uso que la luz va a tener”, especificó.

“Uno de los objetivos principales del Instituto es el desarrollo de la óptica experimental en Chile”, añadió para plantear una mirada desde el presente al pasado en los inicios del Instituto: “en este esfuerzo nos encontramos con los investigadores de las universidades, quienes al inicio y la formulación del Instituto se interesan por las posibilidades que tendrían los cristales metal-orgánicos en la óptica. En ese momento se tomó la decisión de impulsar el desarrollo de un problema que podría ser eventualmente muy importante”.

Entonces, los científicos implicados en el reciente estudio eran capaces de crear en laboratorio estos cristales en tamaño polvo. El objetivo y desafío, como reconocieron, era hacerlos crecer al orden de milímetros para estudiarlos y aplicarlos.

“Esto se hizo en los últimos cinco años. Se alcanzaron cristales de tamaños milimétricos, de muy buena calidad, que tienen propiedades ópticas insospechadas y antes desconocidas. El desarrollo es fundamental para el MIRO y con la publicación podemos dar completamente por cumplido uno de los objetivos principales desde su creación”, manifestó Delgado.

Desde el presente mirando hacia el futuro el desafío científico no acabó, el logro plantea otros más profundos y ambiciosos a los que poner el foco de nuevas exploraciones. “Esperamos que los resultados siguientes de la investigación nos abran las puertas a otros temas tanto o más complicados que los que acabamos de abordar”, sostuvo.

Nuevas investigaciones

Porque la creación de los nuevos cristales con sus tamaños y propiedades, el trabajo de los científicos que lideran cada grupo implicado, podría impulsar dos áreas de investigación que para el director del MIRO son relevantes.

“Estos cristales metal-orgánicos que ahora tienen tamaño visible tienen una propiedad óptica interesante: pueden ser utilizados para producir fotones gemelos, que tienen propiedades exclusivamente cuánticas y los distingues de la luz clásica generada por otros tipos de fuente y encuentran aplicaciones en el área de las nuevas tecnologías cuánticas que también se persiguen dentro del Instituto”, explicó. Por ende “el desarrollo de esta línea podría tener feedback en otra de las líneas de investigación en un problema que es tremendamente complejo”, precisó.

También destacó que a partir de técnicas derivadas del desarrollo de los cristales se ha impulsado el trabajo de crear supercapacitadores, que a “son baterías que almacenan mucha energía y que pueden descargar esa energía en un breve tiempo”, aclaró.

Producto de exportación

Y de suma importancia es que desde la ciencia e investigación hecha en Chile se avanzó en conocimiento y desarrollo de un producto de interés global para multiplicidad de industrias. En efecto, puede ser de exportación, lo que también impulsa a los investigadores del MIRO para seguir definiendo y logrando objetivos.

Hasta ahora no hay reporte de otros cristales orgánicos con metales de zinc que hayan podido crecer hasta nueve milímetros. Además, la producción de estos insumos se centra en Estados Unidos y Europa, con materiales de alto costo tanto de fabricación de venta y despacho, lo que da una oportunidad al MIRO.

“La temperatura requerida para hacer crecer estos cristales, y por lo tanto la energía necesitada, es mucho menor que la utilizada para los cristales que se comercializan en estos momentos”, explicó Diego Hidalgo, investigador doctoral en la UC y bajo la guía del doctor Seifert hizo el estudio de las características ópticas mostradas en la reciente publicación.

“Si logramos ser competitivos con los cristales no lineales establecidos en el comercio, podríamos abaratar los costos, no sólo de producción, sino que de envío a los grupos de investigación en esta región”, aseguró. Incluso, puliendo y optimizando otros parámetros se podría superar en eficacia a otros tipos de cristales comerciales.

Para el investigador Dinesh Singh esto “abre la puerta al crecimiento de otros cristales individuales de redes metal-orgánicas de gran tamaño y al estudio de su comportamiento óptico no lineal, que puede comercializarse ampliamente en los sectores de las comunicaciones cuánticas, las telecomunicaciones, el láser, etcétera”.

Para avanzar concretamente en ello, por lo pronto se continúa con investigaciones para seguir aumentando el tamaño de los cristales y probar sus cualidades ópticas