Investigadores de Eindhoven han desarrollado un nuevo tipo de baja energía, Láser a nanoescala que brilla en todas direcciones. La clave de su emisión de luz omnidireccional es la introducción de algo que suele ser muy indeseable en nanotecnología:las irregularidades en los materiales. Los investigadores prevén una amplia gama de aplicaciones potenciales, pero primero esperan que su trabajo fundamental inspire a otros a mejorarlo y profundizar su comprensión. Los resultados se publican en la revista Cartas de revisión física .

La falta de control de las variables que determinan la respuesta de un sistema suele verse como una maldición en la ciencia y la tecnología. Pero, ¿qué pasa con una pequeña pizca de imperfección y desorden? Las imperfecciones e irregularidades son inevitables en la nanociencia debido a nuestro limitado nivel de control de los procesos de nanofabricación. El trastorno es potencialmente perjudicial para los nanosistemas, pero si está bien contenido, el desorden puede que no sea un intruso después de todo, conduciendo a nuevos conceptos y aplicaciones físicas.

Científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU / e) y el Instituto Holandés de Investigación Energética Fundamental (DIFFER) han investigado el papel de las imperfecciones y el desorden en los nanoláseres. Al introducir un ligero grado de desorden, han observado un cambio dramático:el láser ya no emite en una dirección específica, pero en todas direcciones.

El desarrollo de láseres a nanoescala (más pequeños que el grosor de un cabello humano) es un campo de investigación muy activo. En un láser normal, cada fotón (partícula de luz) se 'clona' muchas veces en un medio que se encuentra dentro de una cavidad (por ejemplo, un par de espejos entre los cuales el fotón se mueve hacia adelante y hacia atrás produciendo otros fotones con las mismas características). Este proceso se conoce como amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (LASER). Para lograr la emisión láser se suele inyectar una corriente eléctrica a través del medio, o está iluminado con luz de alta energía. La energía mínima necesaria para que un láser emita se llama umbral de láser.

Un tipo diferente de láser es el llamado láser de polaritón. Esto funciona según el principio no de clonar fotones, sino de hacer que los fotones no idénticos sean idénticos de la misma manera que las moléculas de vapor de agua. moviéndose en todas direcciones con diferentes velocidades, se condensan en una sola gota. La condensación de fotones da lugar a la característica de emisión intensa y direccional de un láser. Una ventaja importante de los láseres de polaritón es que tienen un umbral láser mucho más bajo, lo que los convierte en excelentes candidatos para muchas aplicaciones.

Sin embargo, Un problema importante de los láseres de polaritón ha sido que necesitan funcionar a temperaturas muy bajas (como la condensación de vapor que se produce solo cuando se baja la temperatura) pero mediante el uso de materiales orgánicos. Es posible obtener una emisión de láser de polaritón incluso a temperatura ambiente. Los investigadores de Eindhoven demostraron el año pasado que pueden realizar láseres de polaritón a nanoescala que funcionan a temperatura ambiente. utilizando nanopartículas metálicas en lugar de espejos como en los láseres normales.

Los investigadores de TU / e-DIFFER han descubierto un nuevo tipo de láser de polaritón que consiste en un patrón regular de nanobandas de plata cubiertas con polímero PMMA de color cuyo tinte comprende moléculas emisoras orgánicas. Sin embargo, las franjas plateadas tienen deliberadamente cierto grado de imperfección y desorden. La emisión de este nanolaser no perfecto es omnidireccional y está determinada principalmente por las propiedades de las moléculas orgánicas. Este resultado no se espera en el marco de la condensación, ya que la emisión omnidireccional requiere emisiones de moléculas orgánicas independientes en lugar de la emisión colectiva que es típica de la condensación. La demostración de la emisión omnidireccional define nuevos límites para el desarrollo de láseres a nanoescala a temperatura ambiente.

Los investigadores creen que su láser podría eventualmente aplicarse en muchas áreas. Comparado con un LED, la luz láser omnidireccional es mucho más brillante y mejor definida. Por eso es un buen candidato para la iluminación de microscopía, que actualmente utiliza LED. LIDAR (Detección y rango de imágenes láser) es otra aplicación potencial. El LIDAR actual utiliza uno o más láseres y un conjunto de espejos que se mueven rápidamente para cubrir grandes áreas para obtener imágenes de objetos distantes. Un láser omnidireccional no requiere espejos móviles, reduciendo así significativamente la complejidad. Y también la iluminación general es una opción, dice el profesor investigador principal Jaime Gómez Rivas. "Pero la investigación sigue siendo muy fundamental. Esperamos que nuestros resultados estimulen a otros investigadores a mejorarlos reduciendo aún más el umbral láser o aumentando la gama de colores emitidos".

El grupo de investigación responsable de este trabajo investiga la interacción luz-materia potenciada por estructuras resonantes, como nanopartículas metálicas y superficies estructuradas. El fuerte acoplamiento de la materia ligera conduce a nuevos fenómenos fundamentales que pueden explotarse para adaptar las propiedades del material. El grupo forma parte del grupo de capacidad de fotónica y nanofísica de semiconductores del departamento de física aplicada y del "Instituto de fotónica integrada" de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU / e). y anteriormente formaba parte del Instituto Holandés de Investigación en Energía Fundamental (DIFFER), donde se realizó el trabajo experimental en este artículo.