Rusia crea láser microscópico del tamaño de una bacteria para chips ópticos

Investigadores de Rusia, Bielorrusia y China han desarrollado dispositivos láser microscópicos sobre sustratos de zafiro capaces de emitir radiación ultravioleta a temperatura ambiente.

Estos láseres tienen un tamaño extremadamente pequeño, cercano a dos micrómetros, comparable al tamaño de una bacteria.

La oficina de prensa de la Escuela Superior de Economía de Moscú informó que estos dispositivos pueden aplicarse en sensores, chips ópticos y equipos de comunicaciones.

Edward Moiseev, investigador principal del Laboratorio Internacional de Electrónica Cuántica Óptica en la misma escuela, explicó que el zafiro se utiliza ampliamente en diversas industrias y puede procesarse con técnicas comunes en microelectrónica, como el cultivo de capas, grabado y perforación de elementos del dispositivo. Esto abre la posibilidad de fabricar chips ópticos integrados para análisis espectral, sensores biológicos y sistemas de comunicación en el rango ultravioleta.

El equipo científico ha trabajado durante años en el desarrollo de láseres ultraminiaturizados que puedan integrarse en circuitos integrados y dispositivos diminutos, con tamaños comparables a células sanguíneas rojas. La ejecución de este proyecto es compleja, ya que reducir el tamaño del láser incrementa rápidamente los problemas relacionados con la retención de luz dentro del resonador, que es la estructura donde la luz se refleja y amplifica varias veces.

Recientemente, los científicos descubrieron que este inconveniente puede solucionarse mediante el uso del efecto conocido como "galería susurrante" (whispering gallery), junto con una capa aislante especial compuesta por una mezcla de nitruro de aluminio y nitruro de galio cuyo composición varía gradualmente en función del grosor del material. Esta capa intermedia compensa las tensiones mecánicas entre el sustrato y las capas fabricadas con nitruro de galio e indio, además de reducir la fuga de radiación, lo que permite que el láser funcione de manera estable incluso en tamaños muy pequeños.

Las pruebas posteriores con estas estructuras demostraron que el uso de sustratos basados en zafiro posibilita la fabricación de láseres compactos que operan en el rango de la radiación ultravioleta profunda. Su rendimiento es comparable al de los mejores modelos de láseres integrados, pero con un diámetro del elemento emisor de solo dos micrómetros, un tamaño equivalente al de una bacteria.

El origen del término "galería susurrante" en la física óptica

El nombre proviene de un fenómeno acústico observado en la cúpula de la Catedral de San Pablo en Londres. Si una persona susurra hacia la pared de la cúpula, alguien situado en el lado opuesto, a decenas de metros de distancia, puede escuchar el susurro con claridad.

Esto ocurre porque las ondas sonoras se reflejan repetidamente en las paredes curvas de la cúpula y se deslizan a lo largo de la superficie sin perder energía, como si caminaran sobre la pared.

En el contexto de la luz y el láser, el efecto se basa en la reflexión interna total. Cuando un rayo de luz entra en un cuerpo circular muy pequeño, como una esfera o un disco de vidrio, la luz se refleja en las paredes internas con ángulos muy grandes, haciendo que circule alrededor del perímetro interior sin poder escapar. Así, la luz queda atrapada en una órbita circular muy pequeña.

El papel del efecto en la miniaturización del láser

En un láser convencional, se requieren espejos enfrentados para confinar la luz. Sin embargo, en un láser miniaturizado con forma de disco o esfera, la superficie curva actúa como un "espejo circular". La luz reflejada internamente circula en esta órbita (efecto de la galería susurrante) y permanece atrapada el tiempo suficiente para amplificarse y generar el láser, sin necesidad de espejos externos ni de un espacio amplio.

Este mecanismo permitió a los científicos fabricar un láser con un tamaño de solo dos micrómetros, más pequeño que una célula sanguínea roja, manteniendo su eficiencia.