Los láseres inalámbricos de nanocables absorben los rayos infrarrojos y emiten luz azul

(Última Actualización: junio 7, 2019)

Es una dura colección de obstáculos que hay que superar. Pero hay una laguna: un circuito fotónico podría tener el tipo de aplicación que los dispositivos electrónicos no hacen muy bien.

Ahora, los investigadores han usado esa laguna como una excelente excusa para hacer un experimento muy bueno en la potenciación de los láseres. Los investigadores demostraron cómo potenciar un láser con un láser, algo que cualquier persona con un mínimo de conocimientos de física del láser puede hacer. Sin embargo, esto es muy diferente: el láser de potencia cambia la estructura electrónica del medio para convertirlo en láser.

Antes de entrar en detalles, hagamos un rápido viaje por el carril de inversión de la población para visitar el láser semiconductor

Desde nuestra perspectiva, un semiconductor consiste en electrones atrapados en la banda de valencia (donde no pueden moverse) y electrones en la banda de conducción (donde pueden moverse). Hay una brecha de energía entre el electrón de mayor energía en la banda de valencia y el electrón de menor energía que puede conducir.

Para que un electrón pase de la banda de valencia a la banda de conducción, tiene que ganar al menos la energía suficiente para cruzar la brecha. Para que un electrón regrese de la banda de conducción a la banda de valencia, tiene que perder suficiente energía para cruzar la brecha. Puede hacer estas transiciones absorbiendo o emitiendo un fotón de luz.

Para obtener un láser semiconductor, los electrones tienen que ser excitados de la banda de valencia a la banda de conducción para que emitan luz a medida que pierden energía y regresan a la banda de valencia. Por sí solo, esto le dará un diodo emisor de luz. Para convertirlo en un láser, hay que lograr una inversión de población, lo que significa que hay que tener más electrones en la banda de conducción que en la banda de valencia.

Una vez logrado esto, la emisión estimulada puede tomar el relevo. La presencia de un campo de luz conduce a los electrones en la banda de conducción a emitir luz del mismo color y viajar en la misma dirección que el campo.

Conseguir que un láser semiconductor funcione es muy fácil con una batería: sólo tienes que suministrar corriente con el voltaje adecuado y listo. Pero no tienes que usar una batería. También puede suministrar luz con fotones a una energía mayor que el espacio. Digamos que su material semiconductor emitirá naturalmente luz roja a medida que los electrones cruzan la brecha. Si usted bombea con luz verde, los fotones verdes excitarán a los electrones. Los electrones sobreexcitados rebotarán como los niños pequeños que mantienen el azúcar, perdiendo energía a medida que avanzan, hasta que golpean la parte inferior de la banda de conducción. En este punto, el electrón emitirá un fotón y regresará a la banda de valencia.

Ponga suficiente luz verde y obtendrá un láser emisor de luz roja.

Doblar el espacio de la banda

Ahora, imagina que tienes una pila completa de láseres que no puedes conectar a los cables, así que quieres alimentarlos con luz. Tu láser verde no va a funcionar. El problema es que el láser superior de la pila absorberá casi toda la luz. Si aumenta la potencia del láser verde para forzar el paso de más luz, se quemará el láser superior antes de que se encienda el siguiente láser de la pila.

Aquí es donde entra en juego el nuevo trabajo de los investigadores. Volvamos a nuestra imagen de un semiconductor. Todos los electrones están sentados a baja energía, atrapados en la banda de valencia. En lugar de absorber directamente la energía, los electrones también pueden hacer túneles a través de las barreras para llegar a la banda de conducción. Para que esto funcione, la diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia debe ser invertida. Esto se puede hacer aplicando un campo eléctrico muy grande al semiconductor. El campo eleva la energía de la banda de valencia y deja caer la energía de la banda de conducción, permitiendo que los electrones salten a la banda de conducción.

Los investigadores aplican ese campo usando un láser muy brillante, que funciona porque la luz tiene un campo eléctrico. Cuando se enciende la luz, los electrones pueden hacer un túnel desde lo que ahora es una banda de valencia de alta energía a la banda de conducción de baja energía. Después de apagar el láser, la energía de la banda de conducción aumenta, arrastrando los electrones con ella.

De repente, el semiconductor se encuentra con muchos electrones de alta energía que quieren emitir luz. Por lo tanto, nace un láser.

Láseres inalámbricos

Lo bueno de esto es que el color de la luz utilizada para conducir el láser no importa mucho. La única condición es que la energía del fotón sea mucho menor que la energía necesaria para excitar un electrón a la banda de conducción. Esto significa que puede elegir un color que se adapte a la aplicación (por ejemplo, elegir una luz que sea transparente al material en el que se encuentra el circuito fotónico). En la mayoría de los casos, no hay que preocuparse por el color de la luz que mejor se adapta al material semiconductor.

También funciona mejor en láseres diminutos, como los nanocables de Óxido de Zinc (este es el material utilizado por los investigadores). Estos son los tipos de láser que mejor se adaptan a las aplicaciones fotónicas que necesitan usar materiales inertes -los óxidos son muy poco reactivos- y necesitan ser pequeños. Por último, dado que los láseres sólo se encienden cuando la luz se enfoca en ellos, puede cambiar de un láser a otro desplazando el punto de enfoque (en este caso, es cierto que los láseres deben estar espaciados a una distancia bastante grande).

Entonces, ¿dónde se utilizarán? No tengo ni idea en este momento, y no me importa, sólo me encanta la física. Más seriamente, se necesita una luz muy brillante para encender un láser como este (piense ~1TW/cm2), por lo que las aplicaciones serán sin duda un nicho.

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