Láseres. Se utilizan para todo, desde entretener a nuestros gatos hasta cifrar nuestras comunicaciones. Desafortunadamente, Los láseres pueden consumir mucha energía y muchos se fabrican con materiales tóxicos como arsénico y galio. Para hacer que los láseres sean más sostenibles, Deben descubrirse nuevos materiales y mecanismos láser.

La profesora Andrea Armani y su equipo de la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi han descubierto un nuevo fenómeno y lo han utilizado para fabricar un láser con una eficiencia de más del 40 por ciento, casi 10 veces mayor que otros láseres similares. El láser en sí está hecho de un anillo de vidrio sobre una oblea de silicio con solo una capa monocapa de moléculas de siloxano ancladas a la superficie. Por lo tanto, ha mejorado el consumo de energía y está fabricado con materiales más sostenibles que los láseres anteriores.

El trabajo de Armani y sus coautores Xiaoqin Shen y Hyungwoo Choi del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork de la USC; Dongyu Chen del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Ming Hsieh de la USC; y Wei Zhao, del Departamento de Química de la Universidad de Arkansas en Little Rock, fue publicado en Fotónica de la naturaleza .

El láser Raman de superficie se basa en una extensión del efecto Raman, que describe cómo la interacción de la luz con un material puede inducir vibraciones moleculares que dan como resultado la emisión de luz. Una característica única de este tipo de láser es que la longitud de onda emitida no está definida por las transiciones electrónicas del material, sino que está determinada por la frecuencia vibratoria del material. En otras palabras, la luz láser emitida se puede sintonizar fácilmente cambiando la luz incidente. En trabajos anteriores, investigadores han creado láseres Raman que aprovechan el efecto Raman en material "a granel", como fibra óptica y silicio.

Los láseres Raman tienen una amplia gama de aplicaciones, incluidas las comunicaciones militares, microscopía e imágenes, y en medicina para terapia de ablación, un procedimiento mínimamente invasivo para destruir tejido anormal como tumores.

Armani, Cátedra Ray Irani de la USC en Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, dijo que se dio cuenta de que una estrategia diferente podría proporcionar láseres Raman de mayor rendimiento a partir de materiales sostenibles como el vidrio.

"El desafío era crear un láser en el que toda la luz incidente se convirtiera en luz emitida, "Dijo Armani." En un láser Raman de estado sólido normal, todas las moléculas interactúan entre sí, reduciendo el rendimiento. Para superar esto, necesitábamos desarrollar un sistema en el que se redujeran estas interacciones ".

Armani dijo que si se pensaba que los láseres Raman convencionales eran las viejas bombillas de energía ineficaz con las que muchos de nosotros crecimos, esta nueva tecnología daría como resultado el láser equivalente a las bombillas LED de bajo consumo; un resultado más brillante que requiere un menor aporte de energía.

El equipo interdisciplinario de Armani, compuesto por químicos, científicos de materiales e ingenieros eléctricos, rápidamente se dio cuenta de que podían diseñar este tipo de sistema láser. Combinando química de superficies y nanofabricación, desarrollaron un método para formar con precisión una única monocapa de moléculas en un nanodispositivo.

"Piense en la molécula como un árbol, "Dijo Armani." Si anclas la base de la molécula al dispositivo, como una raíz a una superficie, el movimiento de la molécula es limitado. Ahora, no puede simplemente vibrar en cualquier dirección. Descubrimos que al restringir el movimiento, realmente aumenta la eficiencia de su movimiento, y como un resultado, su capacidad para actuar como un láser ".

Las moléculas están unidas a la superficie de un anillo de vidrio fotónico integrado, que confina una fuente de luz inicial. La luz dentro del anillo excita las moléculas de superficie restringida, que posteriormente emiten la luz láser. Notablemente, la eficiencia se mejora casi 10 veces, aunque hay menos material.

"Las moléculas de superficie restringida permiten un nuevo proceso, llamado Raman estimulado por superficie, que suceda, "dijo Xiaoqin Shen, el coautor principal del artículo con Hyungwoo Choi, "Este nuevo proceso de superficie activa el aumento de la eficiencia del láser".

Adicionalmente, al igual que el láser Raman convencional, simplemente cambiando la longitud de onda de la luz dentro del anillo, la longitud de onda de emisión de las moléculas cambiará. Esta flexibilidad es una de las razones por las que los láseres Raman, y ahora los láseres Raman estimulados por superficie, son tan populares en numerosos campos, incluida la defensa, diagnósticos, y comunicaciones.

Armani dijo que el equipo logró unir las moléculas a la superficie del anillo de vidrio aprovechando los grupos de moléculas de hidroxilo en la superficie. entidades con la fórmula OH, que contienen oxígeno unido al hidrógeno, utilizando un proceso llamado química de superficie de silanización. Esta reacción forma una única monocapa de moléculas individuales orientadas con precisión.

El descubrimiento es un proyecto apasionante para Armani; uno que ha estado siguiendo desde sus días como Ph.D. estudiante.

"Esta es una pregunta que he querido analizar durante un tiempo, pero simplemente no era el momento adecuado ni el lugar adecuado ni el equipo adecuado para poder responder " ella dijo.

Armani dijo que la investigación tiene el potencial de reducir significativamente la potencia de entrada requerida para operar los láseres Raman, así como también impactar en muchas otras aplicaciones.

"El efecto Raman es fundamental, Comportamiento científico ganador del Premio Nobel descubierto originalmente a principios del siglo XX, ", Dijo Armani." La idea de contribuir con algo nuevo a este rico campo es muy gratificante ".