Ingenieros de Princeton descubren un nuevo tipo de láser

Un equipo de ingenieros de Princeton en los Estados Unidos, han descubierto un nuevo mecanismo común para hacer materiales electrónicos emisores de rayos láser. El hallazgo podría dar lugar a láseres que funcionan de manera más eficiente y en temperaturas más elevadas que los dispositivos existentes, con aplicaciones desde la vigilancia del medio ambiente a diagnósticos médicos entre otros campos.

“Este descubrimiento proporciona una nueva visión de la física del láser”, según comenta Claire Gmachl, ingeniero en electrónica, y director de la investigación en el Centro MIRTHE de Tecnologías para la Salud y el Medio Ambiente. Este fenómeno fue descubierto en un tipo de dispositivo llamado láser de cascada cuántica, en el que una corriente eléctrica fluye a través de un material especialmente diseñado para producir un rayo láser. El grupo de investigadores descubrió que un láser de cascada cuántica había generado un segundo rayo con propiedades muy inusuales, incluyendo una menor necesidad de consumo eléctrico que el haz de luz convencional.

Los integrantes del equipo de ingenieros que realizaron esta investigación incluyen a Claire Gmachl, profesor de ingeniería y director del proyecto, Kale Franz, quien construyó el láser que puso de manifiesto este nuevo fenómeno y Stefan Menzel que descubrió las propiedades únicas del fenómeno durante una pasantía en la Universidad de Princeton, el verano pasado. El estudio fue publicado en la revista “Nature Photonics” el 14 de Diciembre de 2008.

La luz emitida por un láser difiere fundamentalmente de la luz producida por fuentes comunes, tales como el sol, el fuego, o las lámparas eléctricas. Según el campo de la física llamada electrodinámica cuántica, la luz está compuesta de partículas llamadas fotones. Las fuentes comunes de la luz que emiten fotones están en un orden aleatorio, en contraste, los fotones en un láser están “en sintonía” con los demás. Esta propiedad, denominada coherencia, permite que la luz láser brille en un intenso haz estrecho de un solo color muy puro.

Una manera de producir un haz de láser es pasar una corriente eléctrica a través de un semiconductor, como por ejemplo el arseniuro de galio. La corriente eléctrica surte de energía al material, lo que obliga a un gran número de sus electrones utilizar un mayor nivel de energía respecto del normal. Bajo ciertas condiciones, estos electrones caen a un nivel inferior de energía, y emiten la energía extra en forma de fotones sincronizados de luz. Este es el mecanismo subyacente de láseres utilizados en CD gravables, punteros láser y otros dispositivos electrónicos comunes.

El láser utilizado en esta investigación, es de un tipo especial denominado láser de cascada cuántica como anteriormente se comenta, fue desarrollado en la Instalación de Nanofabricación de la Universidad de Princeton. El dispositivo es de aproximadamente una décima parte del espesor de un cabello humano, con tan sólo 3 milímetros de largo. A pesar de su diminuto tamaño, tiene cientos de capas de diferentes materiales semiconductores. Cada capa está a sólo unos átomos de espesor. En este dispositivo, los electrones “en cascada” atraviesan las capas a medida que pierden energía y emiten fotones sincronizados.

En un estudio anterior publicado en “Applied Physics Letters” en junio de 2007, Franz, Gmachl y el resto de investigadores comentaban que el láser de cascada cuántica que habían fabricado, de forma inesperada emitía un segundo rayo láser con una longitud de onda ligeramente más pequeña que la principal. Los nuevos estudios de Menzel y otros ingenieros, revelaron que el segundo rayo no puede ser explicado por cualquier teoría de láseres de cascada cuántica. A diferencia de un láser semiconductor convencional, el segundo rayo mejora su fuerza con el aumento de temperatura, hasta cierto punto.

Para explicar este mecanismo, los investigadores se fijaron en una propiedad cuántica de los electrones denominada impulso. En la opinión convencional de los láseres de cascada cuántica, los electrones sólo de casi cero impulso participan en el “lasing” (producción de luz láser). Además, un importante número de electrones tienen que alcanzar el mismo nivel de energía e impulso (denominado condición ”cuasi-equilibrio”) antes de que pueda participar en la acción láser. En cambio, los estudios realizados por el grupo de Gmachl mostró que el segundo rayo láser se originó a partir de electrones de baja energía, sin embargo el impulso mayor que no están en el equilibrio. Se mostraron, al contrario de lo que se creía, que los electrones son útiles para láseres de emisión, incluso cuando se encuentran en estados de no-equilibrio.

El nuevo fenómeno láser tiene algunas características interesantes. Por ejemplo, en un láser convencional basándose en el impulso bajo de electrones, estos a menudo reabsorben la emisión de fotones, y esto reduce la eficiencia por regla general. En el nuevo tipo de láser, sin embargo, esta absorción se reduce en un 90%. Esto podría permitir que el dispositivo se ejecute a menores corrientes, y también hace que sea menos vulnerable a los cambios de temperatura.

A diferencia de otros, los láseres de cascada cuántica operan en el rango medio/alto en la gama de infrarrojos, pudiendo ser utilizado para detectar trazas diminutas, incluso de vapor de agua, amoníaco, óxidos de nitrógeno y otros gases que absorben la luz infrarroja. Como resultado de ello, estos dispositivos están enfocados en aplicaciones de la vigilancia de la calidad del aire, el diagnóstico médico, la seguridad nacional, y otras áreas que requieren de una detección extremadamente sensible de diversas sustancias químicas. El nuevo descubrimiento debería ayudar a que estos dispositivos fuesen más pequeños, más eficientes y más sensibles.

Más información: Princeton University, Engineering School