Lasing am Limit

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El concepto de umbral láser se puede ilustrar bien con un recipiente perforado: solo cuando la potencia de bombeo es lo suficientemente alta como para compensar las pérdidas, se produce la emisión de luz láser. En el llamado nanoláser, entre otras cosas, se ha logrado reducir significativamente las pérdidas y, por tanto, también el umbral láser, mediante la reducción extrema del tamaño. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

¿Qué tan pequeño y eficiente en energía puede ser un láser? La búsqueda del nanoláser definitivo para la tecnología de la información del futuro ocupa a grupos de investigación en todo el mundo.

En el marco de una cooperación internacional, el Prof. Dr. Stephan Reitzenstein del Instituto de Física del Estado Sólido en la TU Berlín y sus socios del proyecto no solo lograron construir un nanoláser extremadamente pequeño y altamente eficiente, sino que también demostraron por primera vez sus propiedades láser mediante la medición cuántico-óptica de la estadística de emisión.

“La eficiencia energética no solo preocupa a los fabricantes de autos eléctricos, sino que también es un tema en la llamada ‘ fotónica en chip’, es decir, microchips en los que la transmisión y procesamiento de datos se realiza cada vez más con luz”, explica el Prof. Stephan Reitzenstein. “Lo especial de los futuros nanolásers es que operan en la transición a la óptica cuántica, en el ámbito de los cuantos de luz individuales, llamados fotones.” En la práctica, esto significa: no solo es especialmente difícil fabricar estos nanolásers. El desafío particular radica también en demostrar de manera inequívoca la emisión láser.

La luz láser se genera generalmente en un llamado resonador óptico, cuando se suministra suficiente energía a un medio láser en su interior. El problema: la energía suministrada, conocida como potencia de bombeo, debe superar un cierto límite — el umbral láser — para que el medio láser emita no solo luz, sino luz láser.

“Esto se debe a que, inicialmente, la mayor parte de la energía suministrada se convierte en fotones sin que estos se acoplen al haz láser previsto. En los láseres semiconductores comunes, como los que se encuentran en cualquier reproductor de CD o DVD, solo uno de cada cien mil fotones se acopla efectivamente al haz láser. Todos los demás fotones se pierden. Solo cuando la intensidad de bombeo compensa estas pérdidas, puede generarse luz láser”, explica el Prof. Reitzenstein, quien compara el fenómeno con un cubo con agujeros: “El cubo con agujeros simboliza el resonador. La manguera de agua, con la que llenamos el cubo, es comparable a la fuente de bombeo que llena el resonador con fotones. El objetivo es alcanzar un cierto nivel en el cubo, que representa el umbral láser. Sin embargo, por muchos pequeños agujeros en el cubo, siempre se escapa agua — igual que los fotones que salen del resonador sin acoplarse al modo láser. Por lo tanto, la entrada de agua debe superar un cierto límite (cantidad de agua/tiempo) para que el nivel de agua alcance el nivel necesario (umbral láser). Si se quiere construir un nanoláser eficiente en energía con un umbral bajo, el resonador debe ser lo más pequeño y compacto posible. En el caso extremo de un nanoláser sin umbral, se logra casi “tapar todos los agujeros”, de modo que cada fotón introducido se acopla al modo láser.”

Esto se ha logrado ahora mediante una reducción extrema del resonador. El ancho del nanoláser investigado aquí es de solo unos 200 nm. Para comparar: el diámetro de un cabello humano es de aproximadamente 60.000 nm (un nanómetro [1 nm] = una millonésima de milímetro). “La estructura de alta precisión del resonador hace que, en promedio, más de 7 de cada 10 fotones suministrados (y no solo uno de cada cien mil como en un láser normal) sean efectivamente utilizables para el funcionamiento del láser.” Con esto, ya estamos muy cerca del láser sin umbral definitivo”, explica Stephan Reitzenstein.

Para caracterizar el nanoláser, se utilizaron detectores de alta sensibilidad y métodos de análisis complejos: mediante un experimento cuántico-óptico, se determina la estadística de fotones del luz emitida, que es característica de la emisión láser. Solo con esta configuración compleja se logró por primera vez la prueba inequívoca de que la luz del resonador nanométrico también es realmente luz láser y no simplemente funciona como un diodo emisor de luz.

“En particular, demostramos que los ‘criterios de láser’ establecidos pierden importancia para los nanolásers y que la luz láser solo puede ser comprobada cuánticamente”, explica Stefan T. Jagsch, quien realizó los trabajos experimentales como doctorando del Prof. Reitzenstein.

Los trabajos se realizaron en el marco de un proyecto financiado por la DFG y la Fundación Nacional Suiza (SNF), en estrecha colaboración con grupos líderes en el campo de la procesación de semiconductores (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), teoría de nanoláseres (Dr. Christopher Gies y Prof. Frank Jahnke, Universidad de Bremen) y caracterización de nitruros de semiconductores (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlín). Fueron publicados en la edición actual de la prestigiosa revista de acceso abierto Nature Communications.

*Publicación: S. T. Jagsch, N. Vico Triviño, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I. M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Bütte, C. Gies, A. Hoffmann, N. Grandjean, S. Reitzenstein, “Estudio cuántico-óptico de características de láser sin umbral en cavidades de nanobarras de nitruro de alta β”, Nat. Commun. 9, 564 (2018).
DOI:10.1038/s41467-018-02999-2