Investigadores han demostrado lo que es hasta ahora el láser más pequeño, que consiste de una nanopartícula de solamente 44 nanómetros de espesor. El dispositivo es llamado un “spaser” ya que genera una forma de radiación llamada plasmones de superficie. Esta técnica permite confinar luz en espacios muy reducidos, y algunos físicos creen que los “spasers” podrían ser la base de los ordenadores ópticos del futuro, al igual que los transistores son la base de la electrónica de hoy día.

Mientras que los mejores equipos electrónicos de uso masivo operan a velocidades de alrededor de 10 Gigahertz, Mikhail Noginov, profesor de física en el Center for Materials Research en la Norfolk State University en Norfolk, Virginia, aclara que los dispositivos ópticos pueden operar a cientos de Tetrahertz. Los dispositivos ópticos son, sin embargo, difíciles de miniaturizar porque los fotones no se pueden confinar en áreas mucho menores que la mitad de sus longitudes de onda. Pero los dispositivos que interactúan con la luz en forma de palsmones de superficie sí los pueden confinar en espacios más reducidos. 

 “Actualmente se está haciendo un gran esfuerzo, principalmente teórico, hacia el diseño de una nueva generación de dispositivos nano electrónicos basados en plasmónica”, dice Noginov. A diferencia de otros dispositivos plasmónicos previos, los spasers son un elemento activo que pueden producir y amplificar estas ondas. Noginov fue el co-líder en el desarrollo del nuevo spaser en conjunto con Ulrich Wiesner de Cornell University y Vladimir Shalaev y Evgenii Narimanov de Purdue University. El trabajo aparece hoy en la revista Nature.  

El spaser construído por Noginov y sus colaboradores consiste de una nanopartícula sencilla de solamente 44 nanómetros de diámetro, con diferentes partes que ejecutan funciones análogas a las de un láser convencional. En un láser normal, fotones rebotan entre dos espejos a través de un medio que provee ganancia el cual amplifica la luz. La luz en un spaser rebota alrededor de la superficie de una esfera de oro en el núcleo de la nanopartícula en la forma de plasmones.

El reto, dice Noginov, es asegurarse que esta energía no se disipe rápidamente de la superficie del metal. Su equipo de investigación logró esto poniendo una capa de sílice incrustada con tinte sobre la parte de oro. Esta capa actúa como un medio de ganancia. La luz proveniente del spaser puede permanecer confinada como plasmons o puede hacerse que salga de la superficie de la partícula en forma de fotones en el rango de luz visible. Al igual que un láser, el spaser debe ser “bombeado” para suministrar la energía necesaria. El grupo de Noginov logra esto mediante el bombardeo de la partícula mediante pulsos de luz.

El tamaño de un laser convencional está dictado por la longitud de onda que utiliza, y la distancia entre las superficies reflectivas no puede ser menor que la mitad de la longitud de onda de la luz—en el caso de la luz visible, alrededor de 200 nanómetros. La “belleza” de los spasers es que obvian esta limitación mediante el uso de plasmones, dice Noginov. Los Spasers probablemente podrían llegar a tener una longitud de un nanómetro. Cualquier intento de hacerlo más pequeño que eso, explica Noginov, podría romper la funcionalidad de las nanopartículas en el dispositivo.

Noginov y sus colaboradores no son los primeros en fabricar un nanoláser. En este mes de julio, investigadores lidereados por Cun-Zheng Ning, profesor de ingeniería eléctrica de Arizona State University, y Martin Hill de Eindhoven University en Holanda crearon un nanoláser de alrededor de 100 nanómetros de ancho, utilizando diferentes materiales. El nanoláser de Ning y Hill fue el primero en superar las limitaciones de longitud de onda en el tamaño de los lásers. El trabajo publicado hoy, si embargo, es el primer ejemplo de un spaser.

“El spaser trabaja alrededor de mil veces más rápido que el transistor más rápido, mientras posee el mismo tamaño de nanoescala”, dice Mark Stockman, professor de física en Georgia State University. “Esto abre las posibilidades de construir amplificadores ultra rápidos, elementos lógicos, y microprocesadores que trabajen mil veces más rápido que microprocesadores convencionales a base de silicón”.

Stockman predijo el phaser en el año 2003, en conjunto con David Bergman, professor de física de la Universidad de Tel Aviv en Israel. La creación del spaser, dice Bergman, “es una hermosa pieza de trabajo”.

Los spasers probablemente tendrán su primera aplicación no en ordenadores ópticos, sino en lugares donde los lásers convencionales se utilizan hoy en día, dice Noginov. De hecho, “una aplicación más cercana está en la industria de almacenamiento de datos magnéticamente”. Dice Sakhrat Khizroev, professor de ingeniería eléctrica en University of California, Riverside, que también está desarrollando nanolásers. Los medios de almacenamiento magnético de datos utilizado hoy en día para los discos duros de hoy en día están alcanzando sus límites físicos; una manera de extender sus capacidades es la de calentar el medio con diminutos puntos de luz durante el proceso de grabación, lo que podría hacerse con nanolásers, dice Khizroev. Sin embargo, los investigadores advierten que cualquier aplicación está probablemente aún a años de implementarse.