Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado el primer láser en miniatura en el que la luz se guía a lo largo del piso de una zanja metálica abierta. El láser podría actuar como un dispositivo a nanoescala para detectar cantidades mínimas de contaminantes y otros productos químicos en el medio ambiente. o detectar la unión superficial de biomoléculas para diagnóstico médico.

Wenqi Zhu de NIST y la Universidad de Maryland, junto con los físicos del NIST Henri Lezec y Amit Agrawal, describió su trabajo en una edición reciente de Science Advances. El trabajo se realizó en colaboración con la Universidad de Nanjing en China y la Universidad de Michigan.

El desarrollo del nuevo láser se basa en la interacción entre los fotones (partículas de luz) y el mar de electrones que flota a lo largo de la superficie de un metal. Las interacciones entre los fotones y las ondas en el mar de electrones producen un tipo especial de onda de luz, denominado polaritón de plasmón de superficie (SPP), que está estrechamente confinado para viajar solo a lo largo de la superficie del metal. Este confinamiento hace que los SPP sean muy sensibles a cualquier cosa que se encuentre sobre la superficie metálica.

Como primer paso para construir el láser en miniatura, El equipo diseñó en plata una pequeña cavidad abierta en forma de trinchera en la que los SPP pueden resonar. La cavidad es una superficie plana flanqueada por diminutos, Paredes laterales en forma de espejo que reflejan las ondas de la superficie hacia adelante y hacia atrás.

A través de una cuidadosa fabricación, la cavidad resonante poseía dos propiedades clave:todas sus superficies interiores eran lisas a escala atómica, variando en espesor en no más de unos pocos nanómetros, y sus paredes laterales eran perpendiculares con respecto al piso de la cavidad plana. El diseño, posible gracias al moldeado de plata con una plantilla de silicona con un diseño preciso, permitió que los SPP rebotaran hacia adelante y hacia atrás a través de la cavidad cientos de veces sin perder energía significativa, como una cuerda de guitarra que sostiene una nota pura durante mucho tiempo. Esa propiedad, conocido como factor de alta calidad, o Q alto, es esencial para construir un láser. La Q medida por el equipo es la más alta hasta la fecha para cualquier resonador de luz visible que utilice solo SPP.

La alta Q también permitió que la cavidad actuara como un filtro extremadamente selectivo para los SPP; solo aquellos con longitudes de onda que caían dentro de una banda estrecha podían resonar en la cavidad. El rango estrecho es importante porque permite que la cavidad resonante (incluso antes de que se convierta en parte de un láser) se convierta en un detector altamente sensible de pequeños cambios en su entorno:la presencia de partículas o la adición de una película delgada al piso de la cavidad. . Tales cambios desplazan el centro de la banda de longitudes de onda que resonará en la cavidad.

"Al lograr una resonancia estrecha, el cambio en la longitud de onda es claro, y la cavidad abierta puede actuar como un detector exquisitamente sensible, "dijo Lezec.

Después de demostrar que la cavidad se puede utilizar como sensor, Luego, el equipo trabajó para convertir su diseño en un láser. Lo hicieron agregando un recubrimiento ultrafino a la cavidad que amplificó la intensidad del SPP que viaja a través de la estructura. Este es el primer láser a nanoescala jamás construido manipulando un SPP que viaja sobre una sola superficie plana de metal, Lezec anotó.

Las simulaciones sugieren que el láser SPP podría convertirse en un detector aún más sensible para biológicos, materiales químicos y ambientales que usar solo la cavidad resonante. El diseño del láser también permite que se integre fácilmente en un circuito fotónico y también puede permitir nuevos estudios de plasmónica cuántica. la interacción a nanoescala de la materia con las propiedades cuánticas de la luz.