Cristales ultrafinos como fuentes de luz en los láseres

Demostración de la emisión láser a temperatura ambiente: los semiconductores formados por tres capas atómicas podrían ser la base de innovadores láseres

10.11.2021 - Alemania

En un artículo publicado en la revista científica Nature Communications, un equipo internacional dirigido por los físicos de Oldenburg, el Dr. Hangyon Shan, el Prof. Dr. Christian Schneider y el Dr. Carlos Anton-Solanas, informa de que los cristales formados por sólo tres capas atómicas pueden emitir luz de tipo láser a temperatura ambiente. Este nuevo material tiene, pues, el potencial de ser utilizado como fuente de luz en circuitos miniaturizados y también en futuras aplicaciones cuánticas.

Hasta ahora, los científicos sólo habían sido capaces de producir tales efectos a temperaturas ligeramente superiores al cero absoluto. "La transición de estas temperaturas criogénicas a la temperatura ambiente hace que estos materiales bidimensionales sean mucho más interesantes para las aplicaciones", dijo Schneider, que dirige el grupo de investigación de Materiales Cuánticos de la Universidad de Oldenburg.

El equipo utilizó el compuesto diselenuro de tungsteno para sus experimentos. Este compuesto pertenece a una clase de semiconductores formados por un metal de transición y uno de los elementos azufre, selenio o telurio. "Los cristales monocapa de estos semiconductores interactúan muy fuertemente con la luz y se han considerado desde hace tiempo como una base potencial para micro y nanoláseres", explicó Anton-Solanas. El pasado mes de mayo, el mismo equipo publicó en la revista Nature Materials que una capa del material semiconductor diselenuro de molibdeno generaba luz láser a temperaturas criogénicas.

Ahora, los investigadores han alcanzado el siguiente hito y han creado el mismo efecto a temperatura ambiente. La emisión láser procede de partículas híbridas compuestas de materia y luz, conocidas como excitones-polaritones. Los excitones-polaritones son el resultado del acoplamiento entre partículas de luz y electrones excitados. Los electrones excitados se forman cuando los electrones en estado básico son elevados a un estado de mayor energía, por ejemplo, por la luz del láser. Tras una fracción de segundo, emiten una partícula de luz. Cuando esta partícula queda atrapada entre dos espejos, puede excitar a su vez a otro electrón, y el ciclo continúa hasta que una partícula luminosa escapa de la trampa. Los excitones-polaritones creados en este proceso de acoplamiento combinan interesantes propiedades tanto de los electrones como de las partículas de luz (fotones).

Un aspecto especialmente interesante es que si se generan suficientes excitones-polaritones, éstos dejan de comportarse como partículas individuales y se fusionan en un estado cuántico macroscópico. Un aumento repentino de la emisión de luz de la muestra indica que se ha producido esta transformación. Al igual que la luz de un láser, la radiación resultante tiene una sola longitud de onda. Es monocromática, por así decirlo. También irradia en una dirección específica y es capaz de mostrar fenómenos de "interferencia", una propiedad conocida como "coherencia" en física.

Para demostrar este efecto en el diselenuro de wolframio, el equipo fabricó primero muestras del semiconductor de menos de una milmillonésima parte de un metro (un nanómetro) de grosor y las colocó entre espejos especiales. A continuación, los físicos estimularon los cristales con luz láser y estudiaron las emisiones resultantes mediante diversas técnicas. Encontraron pruebas sólidas de que la radiación debía proceder de partículas híbridas que tienen propiedades tanto de luz como de materia. Esto les permitió concluir que efectivamente se habían formado excitones-polaritones en el semiconductor. Además, los investigadores encontraron pruebas de que estas partículas se habían fusionado en un estado cuántico macroscópico común.

"Nuestros resultados refuerzan la esperanza de que los materiales bidimensionales puedan servir de plataforma para nuevos nanoláseres que también puedan funcionar a temperatura ambiente, un objetivo que varios grupos de todo el mundo llevan persiguiendo desde hace unos diez años", explicó Schneider. En mayo de este año, otro equipo de investigadores también encontró pruebas de emisiones láser coherentes de excitones-polaritones en cristales monocapa a temperatura ambiente. "Esto refuerza nuestra creencia de que nuestros resultados son correctos", dijo Anton-Solanas. Además, la fuerte interacción entre la luz y los materiales bidimensionales tiene propiedades especiales que hacen que estos materiales sean interesantes para circuitos en los que la luz podría controlar las corrientes eléctricas.

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