Mientras que los láseres tradicionales funcionan mediante la amplificación de la luz, los spasers amplifican partículas llamadas plasmones de superficie, capaces de hacer cosas que los fotones de las ondas de la luz normal no pueden hacer. Por ejemplo, los fotones no pueden limitarse a áreas de dimensiones mucho más pequeñas que la mitad de su longitud de onda, o alrededor de 250 nanómetros, lo que limita el grado en que los dispositivos ópticos pueden ser miniaturizados. Los plasmones, sin embargo, pueden ser confinados en espacios mucho más pequeños y después ser convertidos en ondas de luz convencionales—lo que los hace útiles para la toma de imágenes de ultra-alta resolución o circuitos ópticos miniaturizados que podrían, por ejemplo, operar 100 veces más rápidamente que los circuitos electrónicos más rápidos de hoy en día.
Junto a Xiang Zhang, profesor de ingeniería mecánica de Berkeley, los investigadores posdoctorales Ren-Min Ma y Rupert Oulton diseñaron y demostraron el nuevo spaser semiconductor. Utiliza metales y semiconductores, reconocidos desde hace tiempo por ser materiales atractivos debido a su ubicuidad y capacidad de recuperación. Sin embargo los spasers anteriores hechos con dichos materiales perdían demasiada energía como para mantener su funcionamiento a menos que se enfriasen a temperaturas extremadamente bajas, por debajo de los -250 ° C.
"Durante un tiempo hubo una gran cantidad de críticas relativas al hecho de que los láseres de plasmones sólo funcionaban a temperaturas bajas", afirma Martin Hill, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad Técnica de Eindhoven, en Holanda, y dedicado a la investigación de nanoláseres. "Esta es una demostración interesante y un paso hacia la fabricación de dispositivos útiles, y anima a que más gente preste atención a los nanolásers de modo de plasmones".
El dispositivo del equipo contiene 1 micrómetro cuadrado de sulfuro de cadmio, con 45 nanómetros de espesor, un semiconductor utilizado en algunas células solares y fotoresistores para la fabricación de microchips. El cuadrado se coloca sobre un segmento de cinco nanómetros de fluoruro de magnesio, sobre una hoja de plata. Cuando la luz de un láser comercial golpea el metal, se generan plasmones en su superficie. Sin embargo, el cuadrado de sulfuro de cadmio limita los plasmones a la brecha, reflejándolos de nuevo cada vez que llegan a un borde. Menos del 5 por ciento de la radiación escapa de la estructura, permitiendo la creación sostenida de un láser de plasmones de superficie, o "spasing," a temperatura ambiente. La investigación fue publicada en línea en Nature Materials el 19 de diciembre.
Este no es el primer spaser que funciona a temperatura ambiente. De hecho, el primer spaser utilizaba materiales a base de tinte que trabajan a temperatura ambiente. Sin embargo, estos materiales sólo podían ser activados con pulsos de luz—algo denominado como bombeo óptico—lo que limita las aplicaciones. El equipo de Berkeley utilizó el bombeo óptico para demostrar su láser porque "es más sencillo", afirma Oulton, aunque la gran ventaja de los láseres semiconductores es que se pueden bombear eléctricamente—y ese es el objetivo final del equipo. "Tenemos que ser capaces de conectar dispositivos del mundo real en una toma de corriente. No hay lugar a dudas en cuanto a eso", afirma Oulton.
Aunque Hill muestra mucho interés por la demostración del grupo de Zhang, señala que "los dispositivos de bombeo eléctrico son algo más difícil técnicamente. Por ejemplo, para los láseres de cristal fotónico, se necesitaron muchos años desde el primer láser de bombeo óptico hasta la creación de un dispositivo de bombeo eléctrico".
El documento de Nature Materials sólo describe un láser sostenido dentro de la cavidad de sulfuro de cadmio, algo que, según afirma Ma, resulta útil para aplicaciones como la detección de moléculas individuales, una utilización importante dentro de los análisis médicos y biológicos de alta sensibilidad. Los investigadores están trabajando en la demostración de un biosensor basado en el láser, y Ma afirma que podría ser posible crear un dispositivo práctico dentro de unos años. También han desarrollado formas de emparejar la salida de luz del spaser para que pueda ser utilizado en circuitos plasmónicos para la computación óptica o las comunicaciones. La construcción de circuitos plasmónicos sencillos es otro proyecto que el grupo de Zhang está llevando a cabo.
Otras posibles aplicaciones para el spaser incluyen la utilización para el enfoque de rayos de luz en la fotolitografía, haciendo posible la fabricación de microchips con características más pequeñas de 20 nanómetros, cerca de los límites de los láseres ópticos. También podría ser útil para el embalaje de más información en soportes de almacenamiento como los DVD y los discos duros. Ma señala que ambas aplicaciones requerirían la adición de una lente plasmónica para enfocar la luz aún más; esta es otra de las cosas en las que ha trabajado el laboratorio de Zhang.
El grupo está entusiasmado con la posibilidad de comercializar el diseño, puesto que utiliza semiconductores inorgánicos que ya son comunes en la informática y las comunicaciones. Ma asegura que debería ser "muy fácil" integrar dispositivos basados en el diseño en los procesos de fabricación actuales. Oulton y Hill también mencionan que los materiales son muy robustos y tienen una larga vida útil dentro de los dispositivos.
De forma optimista, señalan Ma y Oulton, la prueba de principio—láseres plasmónicos eléctricamente inyectados que funcionen a temperatura ambiente—debería ser posible dentro de un par de años, y los dispositivos comerciales podrían lanzarse rápidamente después.