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El láser más pequeño jamás fabricado
Los investigadores han demostrado el láser más pequeño de la historia, que consiste en una nanopartícula de solo 44 nanómetros de diámetro. El dispositivo se denomina espaciador porque genera una forma de radiación llamada plasmones de superficie. La técnica permite que la luz quede confinada en espacios muy pequeños, y algunos físicos creen que los spasers podrían formar la base de las futuras computadoras ópticas, al igual que los transistores son la base de la electrónica actual.
Diminuto láser: Esta simulación muestra la intensidad de la luz alrededor de un nuevo tipo de láser, llamado spaser, cuando funciona en un modo de producción de plasmón. La concentración de plasmones es más intensa en la esfera de oro que forma su núcleo. El círculo negro interior indica la posición de la esfera, que está recubierta con una capa de sílice incrustada en tinte, marcada por la línea negra exterior.
Si bien los mejores productos electrónicos de consumo funcionan a velocidades de aproximadamente 10 gigahercios, Mikhail Noginov , profesor de física en el Centro de Investigación de Materiales de la Universidad Estatal de Norfolk en Norfolk, VA, señala que los dispositivos ópticos pueden funcionar a cientos de terahercios. Sin embargo, los dispositivos ópticos son difíciles de miniaturizar porque los fotones no pueden confinarse a áreas mucho más pequeñas que la mitad de su longitud de onda. Pero los dispositivos que interactúan con la luz en forma de plasmones de superficie pueden confinarla en lugares mucho más estrechos.
Actualmente hay un gran esfuerzo, en su mayoría teórico, para diseñar una nueva generación de nanoelectrónica basada en plasmónicos, dice Noginov. A diferencia de otros dispositivos plasmónicos anteriores, los spasers son un elemento activo que puede producir y amplificar estas ondas. Noginov codirigió el desarrollo del nuevo spaser con Ulrich Wiesner de la Universidad de Cornell y Vladimir Shalaev y Evgenii Narimanov de la Universidad de Purdue. El trabajo se describe hoy en la revista. Naturaleza .
El spaser fabricado por Noginov y sus colaboradores consta de una única nanopartícula de tan solo 44 nanómetros de diámetro, con diferentes partes que realizan funciones análogas a las de un láser convencional. En un láser normal, los fotones rebotan entre dos espejos a través de un medio de ganancia que amplifica la luz. La luz en un espaciador rebota en la superficie de una esfera de oro en el núcleo de la nanopartícula en forma de plasmones.
El desafío, dice Noginov, es asegurarse de que esta energía no se disipe rápidamente de la superficie del metal. Su equipo logró esto cubriendo el oro con una capa de sílice incrustada con tinte. Esta capa actúa como medio de ganancia. La luz del espaciador puede permanecer confinada como plasmones o se puede hacer que deje la superficie de la partícula como fotones en el rango de luz visible. Como un láser, el spaser debe bombearse para suministrar la energía necesaria. El grupo de Noginov logra esto bombardeando la partícula con pulsos de luz.
El tamaño de un láser convencional viene dictado por la longitud de onda de la luz que utiliza, y la distancia entre las superficies reflectantes no puede ser menor que la mitad de la longitud de onda de la luz; en el caso de la luz visible, unos 200 nanómetros. La belleza del spaser es que evita esta limitación mediante el uso de plasmones, dice Noginov. Los spasers probablemente podrían hacerse tan pequeños como un nanómetro. Un poco más pequeño que eso, explica Noginov, y la funcionalidad de las nanopartículas se rompe.
Noginov y sus colaboradores no son los primeros en hacer un nanolaser. Este julio, los investigadores dirigidos por Cun-Zheng Ning , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Arizona, y Martin Hill de la Universidad de Eindhoven en los Países Bajos crearon un nanoláser de unos 100 nanómetros de ancho, utilizando diferentes materiales. El nanolaser de Ning y Hill fue el primero en superar las limitaciones de longitud de onda en el tamaño de los láseres. El trabajo publicado hoy, sin embargo, es el primer ejemplo de un spaser.
El spaser funciona unas mil veces más rápido que el transistor más rápido, mientras que tiene el mismo tamaño de nanoescala, dice Mark Stockman , profesor de física en la Universidad Estatal de Georgia. Esto abre la posibilidad de construir amplificadores ultrarrápidos, elementos lógicos y microprocesadores que funcionen unas mil veces más rápido que los microprocesadores convencionales basados en silicio.
Stockman predijo el phaser en 2003 con David Bergman , profesor de física en la Universidad de Tel Aviv en Israel. La creación del spaser, dice Bergman, es una obra hermosa.
Es probable que los spas encuentren su primera aplicación no en la computación óptica, sino en lugares donde se utilizan hoy en día láseres convencionales, dice Noginov. De hecho, una aplicación a más corto plazo es la industria del almacenamiento de datos magnéticos, dice Sakhrat Khizroev , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California, Riverside, que también está desarrollando nano láseres. Los medios magnéticos de almacenamiento de datos que se utilizan en los discos duros actuales están llegando a sus límites físicos; una forma de ampliar sus capacidades es calentar los medios con puntos de luz muy pequeños durante la grabación, lo que podría hacerse con nanoláseres, dice Khizroev. Sin embargo, advierten los investigadores, es probable que falten años para cualquier aplicación.