Laser de cuasipartículas
La “polaritónica” se encuentra a medio camino entre la fotónica y la electrónica. Utiliza polaritones, un tipo de cuasipartícula mezcla de luz (fotón) y materia (electrón, fonón, plasmón, etc.). Una cuasipartícula es la combinación de una partícula en un medio y el efecto que esta partícula provoca en su entorno de dicho medio.
Teorizados hace muchísimos años, los polaritones fueron descubiertos experimentalmente en 1991, tienen una masa efectiva distinta de cero, lo que significa que no pueden viajar con velocidad c. La velocidad de propagación del polaritón v es igual a su velocidad de grupo, que es la derivada de la energía con respecto al momento lineal:
Ellos pueden formar estados coherentes en microcavidades semiconductoras, lo que permite desarrollar láseres de polaritones. Fabricados por primera vez en el 2000, y a temperatura ambiente en 2007. Cada día son más baratos.
Un sándwich de capas delgadas (menos de un micrómetro de espesor) de materiales semiconductores forma una heteroestructura, también llamada pozo cuántico. Los electrones en estas delgadas capas cuando absorben un fotón (luz), se excitan, pasan a un nivel superior de energía, dejando tras de sí un “hueco” de carga positiva. Otros electrones se pueden aparear con estos huecos formando excitones, cuya vida media (duración) es muy corta. Se “autodestruyen” liberando de nuevo un fotón “similar” al primero.
Si este proceso lo realizamos en una cavidad óptica con espejos que reflejen estos fotones para que vuelvan a excitar otros electrones del material, se producirá un “gas” de excitones estable y coherente (todos los fotones serán “similares”). En esta microcavidad semiconductora el número de excitones crecerá. Estos excitones se acoplan con los fotones formando polaritones de tipo excitón. Estos polaritones son coherentes, como la luz de un láser. La apertura de un agujero en esta cavidad genera un flujo de polaritones (de tipo excitón) al medio exterior, es decir, hemos fabricado un láser de polaritones.
Éstos polaritones tienen una masa unas diez mil veces menor que la de un electrón.
Para que el láser de polaritones funcionara, tuvieron que amplificar la luz polaritónica en al menos un factor de 100. Una amplificación espectacular. Estos primeros trabajos usaron arseniuro de galio a baja temperatura, entre 10 y 50 grados Kelvin. En este material los polaritones no pueden “sobrevivir” a temperatura ambiente. Pronto se empezó a usar el nitruro de galio, en el que los polaritones sobreviven a temperatura ambiente. Fue un tal Baumberg, en colaboración con investigadores suizos, quien logró hacer funcionar un láser de polaritones a temperatura ambiente.
Estos avances provocaron que otros se subieran también al carro de la polaritónica (especialmente tras la crisis de las “dot com” que afectó mucho a las empresas de tecnologías fotónicas, lo que provocó que muchos tecnólogos volvieran a la investigación básica). Savvidis, ahora en Grecia, en la Universidad de Creta, en Haraklion, y su grupo lograron construir un láser polaritónico a “casi” temperatura ambiente (-38 °C) basado en arseniuro de galio (más barato que el nitruro de galio)... La demostración por Savvidis a temperatura ambiente (hasta 42 ºC) no se hizo esperar: “Room temperature GaAs exciton-polariton light emitting diode,” Appl. Phys. Lett. 94: 071109, 18 February 2009.
¿Para qué puede servir el láser de polaritones? Muchas son las posibles aplicaciones. Por un lado, pueden ser una alternativa barata a los láseres azules utilizados en la tecnología Blu-ray (que actualmente son caros). También se pueden utilizar como fuente de luz en aplicaciones en las que el diodo LED está empezando a reinar (como los semáforos). Leonid Butov en Nature ya nos comentaba que los polaritones, al tener una masa diez mil veces menor, podrían ser sustituto ideal del electrón en al futura generación de computadores supereficientes (más rápidos y de menor consumo).
La microelectrónica sustituida por la micropolaritónica. Mezclar microelectrónica basada en el silicio con fotónica (optoelectrónica integrada) no es fácil, ya que al silicio le cuesta trabajo emitir luz. Con la polaritónica y tecnologías basadas en el arseniuro de galio se cree que será posible. El grupo de investigación de Butov está muy activo en este campo, con su publicación estrella en julio de 2008, el transistor basado en excitones, precursores de los polaritones, A.A. High et al. “Control of Exciton Fluxes in an Excitonic Integrated Circuit,” Science 321: 229-231, 2008.
Andreas Viklund. Cristián Antiba.