Los investigadores han encontrado una manera de convertir perlas microscópicas recubiertas de nanopartículas en láseres más pequeños que los glóbulos rojos.

Estos microláseres, que convierten la luz infrarroja en luz a frecuencias más altas, se encuentran entre los láseres de emisión continua más pequeños de su tipo jamás reportados y pueden emitir luz de manera constante y estable durante horas a la vez, incluso sumergido en fluidos biológicos como suero sanguíneo.

La innovación descubierto por un equipo internacional de científicos en el Laboratorio Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), abre la posibilidad de obtener imágenes o controlar la actividad biológica con luz infrarroja, y para la fabricación de chips informáticos basados ​​en la luz. Sus hallazgos se detallan en un informe publicado en línea el 18 de junio en Nanotecnología de la naturaleza .

Las propiedades únicas de estos láseres, que miden 5 micrones (millonésimas de metro) de ancho, fueron descubiertos por accidente cuando los investigadores estaban estudiando el potencial de las perlas de polímero (plástico), compuesto de una sustancia translúcida conocida como coloide, para ser utilizado en imágenes cerebrales.

Ángel Fernández-Bravo, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, quién fue el autor principal del estudio, mezcló las perlas con nanopartículas de fluoruro de itrio de sodio "dopadas, "o incrustado, con tulio, elemento que pertenece a un grupo de metales conocidos como lantánidos. The Molecular Foundry es un centro de investigación en nanociencia abierto a investigadores de todo el mundo.

Emory Chan, un científico de planta en Molecular Foundry, había utilizado en 2016 modelos computacionales para predecir que las nanopartículas dopadas con tulio expuestas a luz láser infrarroja a una frecuencia específica podrían emitir luz a una frecuencia más alta que esta luz infrarroja en un proceso contrario a la intuición conocido como "conversión ascendente".

También en ese momento, Elizabeth Levy, luego un participante en el programa de prácticas de laboratorio de pregrado de verano del laboratorio (SULI), notó que las perlas recubiertas con estas "nanopartículas de conversión ascendente" emitían una luz inesperadamente brillante en longitudes de onda muy específicas, o colores.

"Estos picos fueron claramente periódicos y claramente reproducibles, "dijo Emory Chan, quien codirigió el estudio junto con los científicos del personal de Foundry Jim Schuck (ahora en la Universidad de Columbia) y Bruce Cohen.

Los picos periódicos que Chan y Levy habían observado son un análogo basado en la luz a la acústica de la llamada "galería de susurros" que pueden hacer que las ondas sonoras reboten en las paredes de una habitación circular de modo que incluso se pueda escuchar un susurro en el lado opuesto. de la habitación. Este efecto de galería susurrante se observó en la cúpula de la Catedral de San Pablo en Londres a finales del siglo XIX. por ejemplo.

En el último estudio, Fernandez-Bravo y Schuck descubrieron que cuando un láser infrarrojo excita las nanopartículas dopadas con tulio a lo largo de la superficie exterior de las perlas, la luz emitida por las nanopartículas puede rebotar alrededor de la superficie interior de la cuenta como susurros rebotando a lo largo de las paredes de la catedral.

La luz puede realizar miles de viajes alrededor de la circunferencia de la microesfera en una fracción de segundo, provocando que algunas frecuencias de luz interactúen (o "interfieran") consigo mismas para producir una luz más brillante mientras que otras frecuencias se anulan. Este proceso explica los picos inusuales que observaron Chan y Levy.

Cuando la intensidad de la luz que viaja alrededor de estas cuentas alcanza un cierto umbral, la luz puede estimular la emisión de más luz con el mismo color exacto, y esa luz, Sucesivamente, Puede estimular aún más la luz. Esta amplificación de la luz, la base de todos los láseres, produce luz intensa en un rango muy estrecho de longitudes de onda en las perlas.

Schuck había considerado las nanopartículas dopadas con lantánidos como posibles candidatas para microláseres, y se convenció de esto cuando Chan compartió con él los datos periódicos de la galería de susurros.

Fernández-Bravo descubrió que cuando expuso las perlas a un láser infrarrojo con suficiente potencia, las perlas se convirtieron en láseres de conversión ascendente, con frecuencias más altas que el láser original.

También descubrió que las perlas podían producir luz láser a las potencias más bajas jamás registradas para la conversión ascendente de láseres basados ​​en nanopartículas.

"Los umbrales bajos permiten que estos láseres funcionen continuamente durante horas a potencias mucho más bajas que los láseres anteriores, "dijo Fernández-Bravo.

Otros láseres de nanopartículas de conversión ascendente operan solo de manera intermitente; solo están expuestos a corto, potentes pulsos de luz porque una exposición más prolongada los dañaría.

"La mayoría de los láseres basados ​​en nanopartículas se calientan muy rápidamente y mueren en minutos, ", Dijo Schuck." Nuestros láseres siempre están encendidos, lo que nos permite ajustar sus señales para diferentes aplicaciones ". En este caso, Los investigadores encontraron que sus microláseres funcionaban de manera estable después de cinco horas de uso continuo. "Podemos sacar las cuentas del estante meses o años después, y todavía lase, "Dijo Fernández-Bravo.

Los investigadores también están explorando cómo ajustar cuidadosamente la luz de salida de los microláseres que emiten continuamente simplemente cambiando el tamaño y la composición de las perlas. Y han utilizado un sistema robótico en Molecular Foundry conocido como WANDA (Estación de trabajo para el descubrimiento y análisis automatizados de nanomateriales) para combinar diferentes elementos dopantes y ajustar el rendimiento de las nanopartículas.

Los investigadores también observaron que existen muchas aplicaciones potenciales para los microláseres, como en el control de la actividad de neuronas o microchips ópticos, detección de productos químicos, y detección de cambios ambientales y de temperatura.

"Al principio, estos microláseres solo funcionaban en el aire, lo cual fue frustrante porque queríamos introducirlos en sistemas vivos, "Cohen dijo." Pero encontramos un truco simple de sumergirlos en suero sanguíneo, que recubre las perlas con proteínas que les permiten lavarse en agua. Ahora hemos visto que estas perlas pueden ser atrapadas junto con células en rayos láser y dirigidas con los mismos láseres que usamos para excitarlas ".

El último estudio, y los nuevos caminos de estudio que ha abierto, muestra lo fortuito que puede ser un resultado inesperado, él dijo. "Simplemente teníamos las nanopartículas y el proceso de recubrimiento adecuados para producir estos láseres, "Dijo Schuck.