Dispositivo en miniatura que emite un potente láser a temperatura ambiente y reduce el consumo de energía siete veces

Recientemente, los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer de Estados Unidos (Rensselaer Polytechnic Institute) han inventado un microdispositivo más fino que un cabello humano que puede ayudar a los científicos a explorar la naturaleza de la luz y la materia y a desentrañar los misterios del campo cuántico. La ventaja más importante de esta tecnología es que puede funcionar a temperatura ambiente y no requiere una infraestructura compleja.
Los investigadores afirmaron que "la elección del material es fundamental y somos los primeros en elegir el material excitónico CsPbCl3 para esta aplicación". El CsPbCl3 es un material calcogenuro que los investigadores utilizaron para crear aislantes topológicos fotónicos (PTI).
Si bien la física clásica nos ha ayudado a comprender el mundo, los avances tecnológicos deben mucho a la mecánica cuántica. Desde los diodos emisores de luz (LED) hasta los láseres, los transistores e incluso los microscopios electrónicos, la comprensión de la mecánica cuántica ha impulsado a pasos agigantados la tecnología moderna.
Sin embargo, todavía quedan muchas incógnitas en el ámbito cuántico que esperan ser exploradas. Investigadores de todo el mundo están utilizando equipos de última generación para estudiar el comportamiento de las partículas atómicas y así profundizar en su comprensión. Wei Bao, profesor adjunto del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del RPI, y su equipo han tomado un camino único.
¿Qué es un aislante topológico fotónico?
Un PTI es un material que dirige los fotones de luz a interfaces especialmente diseñadas dentro del material y, al mismo tiempo, evita que la luz se disperse a través de ellas. Esta propiedad permite que múltiples fotones dentro del material permanezcan coherentes y muestren el comportamiento de un solo fotón.
Utilizando esta propiedad del material, los investigadores del RPI convirtieron el aislante en un material simulado para crear un laboratorio en miniatura para estudiar las propiedades cuánticas de los fotones.
Durante la fabricación del dispositivo, los investigadores utilizaron técnicas similares a las que se emplean en la fabricación de microchips. Apilaron distintos materiales capa por capa, con cada molécula cuidadosamente ordenada para construir estructuras con propiedades específicas.
En primer lugar, el equipo utilizó cesio, plomo y cloro para crear placas ultradelgadas de calcogenuro. A continuación, grabaron patrones específicos en un polímero. La placa de cristal y el polímero se colocaron entre láminas delgadas de diferentes materiales de óxido, lo que dio como resultado un dispositivo diminuto de aproximadamente 2 micrones de espesor, 100 micrones de largo y menos que el diámetro de un cabello humano promedio.
¿Cómo funciona el dispositivo?
Cuando el equipo utilizó un láser en el dispositivo, apareció un patrón de triángulos brillantes en la interfaz del material. Este patrón se origina en las propiedades topológicas del láser y está determinado por el diseño del dispositivo.
Una ventaja significativa del dispositivo es su capacidad de funcionar a temperatura ambiente. CsPbCl3 tiene una energía de enlace de excitón estable de hasta ~64 meV, muy por encima de la fluctuación térmica de 25,8 meV a temperatura ambiente.
"En el pasado, los investigadores sólo podían enfriar la materia en el vacío, lo que requiere un equipo voluminoso y costoso", dijo el equipo en un comunicado. "Pero muchos laboratorios no están equipados para esto. Por lo tanto, nuestro dispositivo permitirá que más investigadores realicen investigaciones de física básica en el laboratorio".
Además, el dispositivo ayudará a desarrollar láseres que requieran menos energía para funcionar. El umbral de nuestros láseres topológicamente polarizados fuertemente acoplados a temperatura ambiente (15,2 μJ cm-2) es mucho menor que el del sistema de baja temperatura III-V InGaAs débilmente acoplado (~106 μJ cm-2), que es aproximadamente un factor siete menor.