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Los lásers en cascada cuánticos son pequeñas y eficientes fuentes de rayos láser del infrarrojo medio, los cuales son útiles en medicina y sensores ambientales. (Imagen: Frank Wojciechowski)

Un equipo liderado por investigadores de Princeton ha descubierto un mecanismo completamente nuevo para hacer que materiales electrónicos comunes emitan rayos láser. El hallazgo podría llevar a lásers que funcionen a temperaturas más altas que los dispositivos actuales, y encontrar aplicaciones en la monitorización ambiental y diagnóstico médico.

“Este descubrimiento proporciona una nueva visión en la física de los lásers”, dijo Claire Gmachl, que lideró el estudio. Gmachl, profesora de ingeniería eléctrica, es la directora del Centro de Tecnología del Infrarrojo Intermedio para Salud y Medio Ambiente (MIRTHE) en Princeton.

El fenómeno se descubrió en un tipo de dispositivo llamado láser en cascada cuántico, en el cual una corriente eléctrica que fluye a través de un material especialmente diseñado produce un rayo láser. El grupo de Gmachl descubrió que un láser en cascada cuántico que habían construido generó un segundo rayo con unas propiedades muy poco usuales, incluyendo la necesidad de menos energía eléctrica que un rayo convencional. “Si podemos apagar el rayo convencional, acabaremos con un mejor láser, el cual hace un uso más eficiente de la energía eléctrica”, dijo Gmachl.

El equipo que llevó a cabo el estudio incluye al estudiante graduado de Gmachl, Kale Franz, quien construyó el láser que reveló el nuevo fenómeno, y Stefan Menzel, estudiante graduado de la Universidad de Sheffield en el Reino Unido, quien descubrió las propiedades únicas del fenómeno durante un intercambio en Princeton el verano pasado. El estudio se publicó on-line el 14 de diciembre en la revista Nature Photonics.

La luz emitida por un láser difiere fundamentalmente de la luz producida por las fuentes comunes como el Sol, el fuego o las lámparas eléctricas. De acuerdo con el campo de la física conocido como electrodinámica cuántica, la luz está hecha de partículas conocidas como fotones. Las fuentes comunes de luz emiten fotones que están en un orden aleatorio, como una muchedumbre en un mercado abarrotado. Por el contrario, los fotones en un láser están “en sincronía” con los otros, como una banda marchando en formación. Esta propiedad, llamada coherencia, permite a la luz láser brillar en un intenso y estrecho rayo de un único color muy puro.

Una forma de producir un rayo láser es hacer pasar una corriente eléctrica a través de un semiconductor como el arseniuro de galio. La corriente eléctrica bombea energía en el material, forzando a un gran número de sus electrones a subir a un nivel de energía superior al normal. Bajo ciertas condiciones, estos electrones caen a un nivel más bajo de energía, y emite la energía extra en forma de fotones de luz sincronizados. Este es el mecanismo subyacente a los lásers usados en grabadores de CD, punteros láser y otros dispositivos electrónicos comunes.

El láser usado en el estudio de Princeton es de un tipo especial llamado láser en cascada cuántico. Construido en la instalación de nanofabricación de la Universidad, el dispositivo es de aproximadamente una décima del grosor de un cabello humano y de 3 milímetros de largo. A pesar de su diminuto tamaño, está hecho de cientos de capas de distintos materiales semiconductores. Cada capa tiene sólo unos pocos átomos de grosor. En este dispositivo, los electrones “caen en cascada” a través de las capas conforme pierden energía y emiten fotones sincronizados.

En un estudio anterior publicado en Applied Physics Letters en junio de 2007, Franz, Gmachl y otros informaron de que un láser en cascada cuántico que habían construido, emitía inesperadamente un segundo rayo láser de una longitud de onda ligeramente menor que el principal. Posteriores estudios de Menzel y otros revelan que el segundo rayo no podía ser explicado por ninguna teoría existente de lásers en cascada cuánticos. Al contrario que un láser semiconductor convencional, el segundo rayo láser se hace más potente cuando la temperatura aumenta, hasta un punto. Además, parecía competir con el láser “normal”, haciéndose más débil cuando conforme el otro se reforzaba cuando se suministraba más corriente eléctrica. “Es un nuevo mecanismo de emisión de luz a partir de semiconductores láser”, dijo Franz.

Para explicar este mecanismo, los investigadores invocaron una propiedad cuántica de los electrones llamada momento. En la visión convencional de los lásers en cascada cuánticos, sólo los electrones cerca de un momento cero participan en la producción de la luz láser. Además, un número sustancia de electrones tiene que alcanzar el mismo nivel de energía y momento – estar en la condición conocida como de “quasi-equilibrio” – antes de que puedan participar en la acción láser. Por el contrario, los estudios del grupo de Gmachl demostraron que el segundo rayo láser se originó a partir de los electrones de menor energía, pero en un momento mayor que no estaba en equilibrio. “Esto demostró, contrariamente a lo que se pensaba, que los electrones son útiles para las emisiones láser incluso cuando están en esto de no equilibrio”, dijo Franz.

El nuevo fenómeno láser tiene algunas características interesantes. Por ejemplo, en un láser convencional que dependa del los electrones de momento bajo, los electrones a menudo reabsorben los fotones emitidos, y esto reduce la eficiencia global. En el nuevo tipo de láser, no obstante, esta absorción se reduce en un 90 por ciento, dijo Franz. Esto podría potencialmente permitir al dispositivo funcionar en corrientes menores, y también lo hace menos vulnerable a los cambios de temperatura. “Debería permitirnos mejorar drásticamente el rendimiento láser”, dijo.

El dispositivo usado en el estudio no logró completamente este nivel de rendimiento, debido a que el mecanismo convencional del láser de baja eficiencia predominaba. Para lograr aprovechar por completo el nuevo descubrimiento, por tanto, el mecanismo convencional debería ser desactivado. Los investigadores han comenzado a trabajar en métodos para lograr este resultado, dijo Franz.

Al contrario que otros lásers, los láser en cascada cuánticos funcionan en el rango del infrarrojo lejano e intermedio, y pueden usarse para detectar incluso minúsculas trazas de vapor de agua, amoniaco, óxidos de nitrógeno y otros gases que absorben la luz infrarroja. Como resultado, estos dispositivos encuentran aplicaciones en la monitorización de la calidad del aire, diagnóstico médico, seguridad de las fronteras y otras áreas que requieren detección extremadamente sensible de distintos compuestos químicos. El nuevo descubrimiento debería ayudar a reducir estos dispositivos, hacerlos más eficientes y sensibles, dijo Gmachl.

Autor: Chandra Shekhar
Fecha Original: 23 de diciembre de 2008
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Esta entrada fue escrita el Martes, 13 de Enero de 2009 a las 5:09 pm y archivada en Fí­sica, Tecnologí­a. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.