Científicos españoles crean un “nanoláser”: el láser de estado sólido más pequeño del mundo

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Los avances tecnológicos son tan cuantiosos que es difícil seguirles el rastro. Cuando crees estar al día en los avances de cierta tecnología, resulta que ésta ya ha tomado un camino inesperado y se ha superado a sí misma de manera inimaginable. Cada día que pasa el mundo se vuelve más pequeño, más eficiente, se descubren nuevos materiales, se emplean técnicas más precisas y se conocen nuevas propiedades. En los 90 nos acostumbraron a avances tecnológicos que apenas duraban un lustro antes de volverse obsoletos por nuevos avances, en los 2000 estos avances se volvieron anuales (no hay más que ver la evolución del smart phone, por poner sólo un ejemplo), y hoy en día debemos adquirir conciencia de que los avances son prácticamente diarios. Y las consecuencias de esto son muy relevantes, si bien apenas nos percatamos de ello, muchas veces creyendo erróneamente vivir en una realidad estanca e inmutable a medio plazo.

Theodore Harold Maiman (1927-2007) sostiene el primer láser de la historia

Un último avance tecnológico se ha dado en el campo del láser. Muy brevemente explicábamos en este vídeo que la luz láser es el tipo de luz más pura que conocemos. Como se explica en un artículo de la Universidad Autónoma de Madrid, “es la fuente de luz con mayor grado de direccionalidad, brillo, posibilidad de manipulación y control.” No es de extrañar, pues, que desde la presentación del primer láser en 1960 por Theodore H. Maiman la investigación en el campo de los láseres ha sido incesante en un sinfín de áreas.

La última noticia al respecto ha venido de un artículo publicado en la revista Nano Letters, de la mano de la Universidad Autónoma de Madrid junto con investigadores del Centro de Física de Materiales-Donostia International Physics Center, quienes han conseguido por primera vez reducir el láser de estado sólido a la escala nanométrica.

Antes de continuar, rompamos la anterior frase por partes.

¿Qué es el láser?

El láser es un tipo de haz luminoso que se produce utilizando una de las propiedades de la física cuántica llamada emisión estimulada (ilustrada en la imagen más abajo). Básicamente la emisión estimulada es un proceso por el cual un fotón en una frecuencia específica interactúa con un electrón de un átomo. Esta interacción hace que el electrón, que se encuentra en una órbita específica alrededor del núcleo del átomo, “salte” a una órbita inferior. En esta órbita inferior el electrón pasa de un estado altamente energético a un estado bajamente energético. ¿Qué sucede con este exceso de energía? Se crea un nuevo fotón con las mismas propiedades que el inicialmente utilizado. Con la producción de fotones idénticos (que son las partículas responsables de la luz y, en realidad, de todo el espectro electromagnético) se crea un haz de luz llamado “coherente,” en el que es posible realizar predicciones sobre su campo eléctrico tanto en el tiempo como en el espacio. Esta coherencia es lo que lo hace tan interesante.

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Dicho esto, nos queda comprender la siguiente parte:

¿Qué es el láser de estado sólido?

Básicamente, el láser en estado sólido se refiere al medio por el que viajan los fotones para crear el láser. Este medio puede consistir de varios elementos, y no existe una única (ni mejor) fórmula. Puede contener desde cristales de varios tipos generalmente ligeramente activados con iones de tierras raras, vidrio con iones activos, gases diversos, materiales semiconductores hasta líquidos, entre otros. En el caso del estudio mencionado, se ha utilizado un cristal activado con iones trivalentes de neodimio (Nd3+). Es decir, se ha hecho uso de un láser de estado sólido.

¿Y qué tiene de especial haberlos reducido a la escala nanométrica?

La principal razón es que, así como se precisan telescopios tanto como microscopios para estudiar el mundo que nos rodea, también se necesitan láseres de gran potencia como los utilizados por el Observatorio LIGO (que como os mostramos aquí ha sido el primero capaz de detectar ondas gravitacionales) o por procesos de fusión nuclear así como láseres miniaturizados en forma de micro-chips compactos para su implementación en grandes redes de transferencia y procesado de datos. Es por esto que, según explica el artículo, “los nuevos retos en nanociencia y nanotecnología requieren reducir el tamaño de los láseres por debajo del micrómetro, (la milésima parte de un milímetro).”

Esquema de funcionamiento del nanolaser de estado sólido junto con imágenes de la acción láser generada en regiones donde se sitúan cadenas de nanopartículas de plata utilizadas en el experimento. Imagen: UAM

Existen multitud de usos para este tipo de nanoláseres. Como ejemplos más revolucionarios se citan “variedad de aplicaciones en biomedicina, tecnología de sensores, tecnologías de la imagen o tecnologías de la información.” Otras aplicaciones más específicas de este avance tecnológico pueden ser “la bio-detección con sensibilidad ultra-extrema, la posibilidad de disponer circuitos ópticos ultra-compactos y ultra-rápidos o el control de las interacciones extremas entre la luz y la materia para su aplicación en computación cuántica.”

No obstante, hasta ahora no había sido posible la creación de este tipo de láseres, ya que con tan reducidas dimensiones existen nuevas limitaciones que hay que sortear, como es el fenómeno de la difracción óptica (la perturbación del haz láser al pasar por rendijas de tamaño comparable a su longitud de onda).

Según informa el grupo de investigación dirigido por Luisa Bausá, este trabajo “abre la vía para reducir a la nanoescala muchos otros láseres de estado sólido existentes hoy en día que son capaces de cubrir el amplio rango espectral que va desde el ultravioleta al infrarrojo medio. Las ventajas inherentes a este tipo de láseres son su estabilidad química y térmica y la calidad de línea de emisión.”

Se abre, pues, una nueva puerta al uso de esta tecnología en infinidad de áreas que hasta hoy permanecían fuera de nuestro alcance.

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2017-02-06T13:31:18+00:00