Conocimientos frescos sobre las células vivas, proyectores de video más brillantes y pruebas médicas más precisas son solo tres de las innovaciones que podrían resultar de una nueva forma de fabricar láseres.

El nuevo método desarrollado por un equipo de investigación internacional de la U of T Engineering, Universidad de Vanderbilt, el Laboratorio Nacional de Los Alamos y otros, produce una luz láser continua que es más brillante, menos costosos y más sintonizables que los dispositivos actuales mediante el uso de nanopartículas conocidas como puntos cuánticos.

"Hemos trabajado con puntos cuánticos durante más de una década, "dice Ted Sargent, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática Edward S. Rogers Sr. en la U of T. "Son más de cinco mil veces más pequeños que el ancho de un cabello humano, lo que les permite situarse entre los mundos de la física cuántica y clásica y les confiere propiedades ópticas útiles ".

"Los puntos cuánticos son emisores de luz brillante bien conocidos, "dice Alex Voznyy, un asociado de investigación senior en el laboratorio de Sargent. "Pueden absorber mucha energía y volver a emitirla a una frecuencia determinada, lo que los convierte en un material especialmente adecuado para los láseres ".

Controlando cuidadosamente el tamaño de los puntos cuánticos, los investigadores del laboratorio de Sargent pueden 'sintonizar' la frecuencia, o color, de la luz emitida a cualquier valor deseado. Por el contrario, la mayoría de los láseres comerciales están limitados a una frecuencia específica, o un rango muy pequeño, definido por los materiales de los que están hechos.

La capacidad de producir un láser de cualquier frecuencia deseada a partir de un solo material daría un impulso a los científicos que buscan estudiar enfermedades a nivel de tejidos o células individuales al ofrecer nuevas herramientas para sondear reacciones bioquímicas. También podrían habilitar proyectores de pantalla láser que serían más brillantes y más eficientes energéticamente que la tecnología LCD actual.

Pero aunque la capacidad de los puntos cuánticos coloidales para producir luz láser fue demostrada por primera vez por el coautor Victor Klimov y su equipo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos hace más de 15 años, la aplicación comercial sigue siendo difícil de alcanzar. Un problema clave ha sido que hasta ahora, la cantidad de luz necesaria para excitar los puntos cuánticos para producir luz láser ha sido muy alta.

"Hay que estimular el láser utilizando cada vez más potencia, pero también hay muchas pérdidas de calor, ", dice Voznyy." Con el tiempo se calienta tanto que simplemente se quema ". La mayoría de los láseres de puntos cuánticos se limitan a pulsos de luz que duran sólo unos pocos nanosegundos, una mil millonésima parte de un segundo.

El equipo, que incluía a Voznyy, los investigadores postdoctorales Fengjia Fan y Randy Sabatini y el candidato de MASc Kris Bicanic, superó este problema cambiando la forma de los puntos cuánticos, en lugar de su tamaño. Pudieron crear puntos cuánticos con un núcleo esférico y una concha con forma de bolo, un M&M o un platillo volante, una forma esférica 'aplastada' conocida como esferoide achatado.

El desajuste entre la forma del núcleo y el caparazón introduce una tensión que afecta los estados electrónicos del punto cuántico, reduciendo la cantidad de energía necesaria para activar el láser. Como se informó en un artículo publicado hoy en Naturaleza , la innovación significa que los puntos cuánticos ya no están en peligro de sobrecalentamiento, por lo que el láser resultante puede disparar continuamente.

Si bien los puntos cuánticos a menudo se construyen depositando moléculas de una en una en el vacío, El equipo de Sargent mezcla soluciones líquidas que contienen varios precursores de puntos cuánticos. Cuando las soluciones reaccionan, producen puntos cuánticos sólidos que permanecen suspendidos en el líquido; estos se conocen como puntos cuánticos coloidales. La innovación clave del equipo fue agregar moléculas de protección específicas a la mezcla, lo que les permitió controlar la forma de las partículas para obtener las propiedades deseadas, un enfoque que Fan llama "química inteligente".

"El procesamiento basado en soluciones reduce en gran medida el costo de creación de puntos cuánticos, ", dice Fan." También facilitará la ampliación de la producción, porque podemos utilizar técnicas ya establecidas en la industria gráfica ".

El proyecto incluyó a varios socios nacionales e internacionales. Las simulaciones por computadora en colaboración con la Universidad de Ottawa y el Consejo Nacional de Investigación guiaron el diseño de los puntos cuánticos. Pruebas analíticas del Instituto de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala de Vanderbilt en Nashville, TENNESSE, así como el Centro de Materiales de Alta Tecnología de la Universidad de Nuevo México en Albuquerque, NM y Los Alamos confirmaron que los productos finales tenían la forma deseada, composición y comportamiento mediante el análisis de puntos cuánticos individuales a nivel atómico.

"Nos impresionó no solo la estructura de ingeniería en sí, sino también el nivel de uniformidad que han logrado, "dice Sandra Rosenthal, director del Instituto Vanderbilt de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala. "El equipo de Sargent ha logrado crear puntos cuánticos con una estructura única y elegante. Esta es una investigación emocionante".

El equipo tiene más trabajo por hacer antes de que puedan buscar la comercialización. "Para este dispositivo de prueba de concepto, estamos excitando los puntos cuánticos con luz, "dice Sabatini." En última instancia, queremos pasar a excitarlos con electricidad. También queremos aumentar la potencia a milivatios o incluso a vatios. Si podemos hacer eso, entonces se vuelve importante para la proyección láser ".