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Nanolámina con tres segmentos en rojo, azul y verde, que emite láser en los tres colores, que luego se juntan formando láser blanco. Fuente: ASU/Nature Technology.
Aunque los láseres se inventaron en 1960 y son de uso común en muchas aplicaciones, una característica de la tecnología ha demostrado ser inalcanzable. Nadie ha sido capaz de crear un láser de haces de luz blanca.
Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (EE.UU.) han resuelto el rompecabezas: Han demostrado que los láseres semiconductores son capaces de emitir sobre el espectro de color visible completo, algo necesario para producir un láser blanco.
Los investigadores han creado una novedosa nanolámina -una fina capa de semiconductor que mide aproximadamente un quinto del grosor de un cabello humano en área, con un espesor que es aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano- con tres segmentos paralelos, cada uno de los cuales soporta la acción del láser en uno de los tres colores elementales. El dispositivo es capaz de emitir láser en cualquier color visible, incluido el blanco.
Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista Nature Nanotechnology. Cun-Zheng Ning, profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Computación e Ingeniería de la Energía, es autor del artículo, con sus estudiantes de doctorado Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu y David Shelhammer.
Convencional
El avance tecnológico pone láseres un paso más cerca de ser una fuente de luz convencional y potencial reemplazo o alternativa a los diodos emisores de luz (LEDs). Los láseres son más brillantes, más eficientes energéticamente y pueden potencialmente ofrecer colores más precisos y vivos para las pantallas, como las de ordenador y los televisores. El grupo de Ning ya ha demostrado que sus estructuras podrían cubrir hasta un 70 por ciento más de colores que el estándar actual de la industria de pantallas.
Otra aplicación importante podría ser que los mismos sistemas de iluminación de las habitaciones pudieran ser utilizados tanto para la iluminación como la comunicación. La tecnología en desarrollo se llama Li-Fi, comunicación inalámbrica basada en luz, en lugar de la más prevaleciente Wi-Fi, basada en ondas de radio. El Li-Fi podría ser más de 10 veces más rápido que el actual Wi-Fi, y el láser blanco Li-Fi podría ser de 10 a 100 veces más rápido que el Li-Fi con base LED que se está desarrollando.
"El concepto de láser blanco parece contrario a la intuición porque la luz procedente de un láser típico contiene exactamente un color, una longitud de onda específica del espectro electromagnético, en lugar de una amplia gama de diferentes longitudes de onda. La luz blanca se ve normalmente como una mezcla completa de todas las longitudes de onda del espectro visible", dice Ning, quien también pasó un tiempo prolongado en la Universidad de Tsinghua (China) durante varios años de la investigación, en la información de la Universidad Estatal de Arizona.
En la iluminación basada en LED, un LED azul está recubierto con materiales de fósforo para convertir una parte de la luz azul en luz verde, amarilla y roja. Esta mezcla de luz coloreada es percibida por los seres humanos como luz blanca y por lo tanto puede ser utilizada para la iluminación general.
El Laboratorio Nacional de la empresa Sandia produjo en 2011 luz blanca de alta calidad a partir de cuatro grandes láseres separados. Los investigadores demostraron que el ojo humano está tan cómodo con la luz blanca generada por diodos láser como con la producida por los LED, inspirando a otros para avanzar en la tecnología.
"Aunque esta pionera prueba de concepto es impresionante, los láseres independientes no pueden ser utilizados para la iluminación ambiente o en las pantallas", dice Ning. "Hace falta una pequeña pieza de material semiconductor que emita luz láser en todos los colores o en blanco."
Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (EE.UU.) han resuelto el rompecabezas: Han demostrado que los láseres semiconductores son capaces de emitir sobre el espectro de color visible completo, algo necesario para producir un láser blanco.
Los investigadores han creado una novedosa nanolámina -una fina capa de semiconductor que mide aproximadamente un quinto del grosor de un cabello humano en área, con un espesor que es aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano- con tres segmentos paralelos, cada uno de los cuales soporta la acción del láser en uno de los tres colores elementales. El dispositivo es capaz de emitir láser en cualquier color visible, incluido el blanco.
Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista Nature Nanotechnology. Cun-Zheng Ning, profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Computación e Ingeniería de la Energía, es autor del artículo, con sus estudiantes de doctorado Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu y David Shelhammer.
Convencional
El avance tecnológico pone láseres un paso más cerca de ser una fuente de luz convencional y potencial reemplazo o alternativa a los diodos emisores de luz (LEDs). Los láseres son más brillantes, más eficientes energéticamente y pueden potencialmente ofrecer colores más precisos y vivos para las pantallas, como las de ordenador y los televisores. El grupo de Ning ya ha demostrado que sus estructuras podrían cubrir hasta un 70 por ciento más de colores que el estándar actual de la industria de pantallas.
Otra aplicación importante podría ser que los mismos sistemas de iluminación de las habitaciones pudieran ser utilizados tanto para la iluminación como la comunicación. La tecnología en desarrollo se llama Li-Fi, comunicación inalámbrica basada en luz, en lugar de la más prevaleciente Wi-Fi, basada en ondas de radio. El Li-Fi podría ser más de 10 veces más rápido que el actual Wi-Fi, y el láser blanco Li-Fi podría ser de 10 a 100 veces más rápido que el Li-Fi con base LED que se está desarrollando.
"El concepto de láser blanco parece contrario a la intuición porque la luz procedente de un láser típico contiene exactamente un color, una longitud de onda específica del espectro electromagnético, en lugar de una amplia gama de diferentes longitudes de onda. La luz blanca se ve normalmente como una mezcla completa de todas las longitudes de onda del espectro visible", dice Ning, quien también pasó un tiempo prolongado en la Universidad de Tsinghua (China) durante varios años de la investigación, en la información de la Universidad Estatal de Arizona.
En la iluminación basada en LED, un LED azul está recubierto con materiales de fósforo para convertir una parte de la luz azul en luz verde, amarilla y roja. Esta mezcla de luz coloreada es percibida por los seres humanos como luz blanca y por lo tanto puede ser utilizada para la iluminación general.
El Laboratorio Nacional de la empresa Sandia produjo en 2011 luz blanca de alta calidad a partir de cuatro grandes láseres separados. Los investigadores demostraron que el ojo humano está tan cómodo con la luz blanca generada por diodos láser como con la producida por los LED, inspirando a otros para avanzar en la tecnología.
"Aunque esta pionera prueba de concepto es impresionante, los láseres independientes no pueden ser utilizados para la iluminación ambiente o en las pantallas", dice Ning. "Hace falta una pequeña pieza de material semiconductor que emita luz láser en todos los colores o en blanco."
Semiconductores
Los semiconductores, por lo general elementos o compuestos químicos sólidos dispuestos en cristales, son ampliamente utilizados para los chips de ordenador o para la generación de luz en los sistemas de telecomunicaciones. Tienen propiedades ópticas interesantes y se utilizan para hacer los láseres y los LEDs debido a que pueden emitir luz de un color específico cuando se les aplica un voltaje. El material emisor de luz más preferido para los semiconductores es el nitruro de galio-indio, aunque otros materiales tales como el sulfuro de cadmio y el seleniuro de cadmio también se utilizan para la emisión de colores visibles.
El principal desafío, apuntan los investigadores, radica en la forma de crear los materiales semiconductores emisores de luz y en cómo funcionan para emitir luz de diferentes colores. Normalmente un semiconductor dado emite luz de un solo color -azul, verde o rojo- que está determinado por una estructura atómica y una banda prohibida (diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción) concretas.
La "constante de red" representa la distancia entre los átomos. Para producir todas las longitudes de onda posibles en el rango espectral visible se necesitan varios semiconductores de muy diferentes constantes de red y bandas prohibidas de energía.
"Nuestro objetivo es lograr una sola pieza semiconductora capaz de hacer funcionar el láser en los tres colores fundamentales. La pieza debe ser lo suficientemente pequeña para que las personas puedan percibir un solo color mezclado general, en lugar de tres colores individuales", dice Fan. "Pero no fue fácil."
"El principal obstáculo fue el desajuste de red, es decir, que la constante de red es demasiado diferente para los distintos materiales que se requieren", dice Liu. "No somos capaces de crear diferentes cristales semiconductores juntos en alta calidad suficiente, utilizando técnicas tradicionales, si sus constantes de red son demasiado diferentes."
Los semiconductores, por lo general elementos o compuestos químicos sólidos dispuestos en cristales, son ampliamente utilizados para los chips de ordenador o para la generación de luz en los sistemas de telecomunicaciones. Tienen propiedades ópticas interesantes y se utilizan para hacer los láseres y los LEDs debido a que pueden emitir luz de un color específico cuando se les aplica un voltaje. El material emisor de luz más preferido para los semiconductores es el nitruro de galio-indio, aunque otros materiales tales como el sulfuro de cadmio y el seleniuro de cadmio también se utilizan para la emisión de colores visibles.
El principal desafío, apuntan los investigadores, radica en la forma de crear los materiales semiconductores emisores de luz y en cómo funcionan para emitir luz de diferentes colores. Normalmente un semiconductor dado emite luz de un solo color -azul, verde o rojo- que está determinado por una estructura atómica y una banda prohibida (diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción) concretas.
La "constante de red" representa la distancia entre los átomos. Para producir todas las longitudes de onda posibles en el rango espectral visible se necesitan varios semiconductores de muy diferentes constantes de red y bandas prohibidas de energía.
"Nuestro objetivo es lograr una sola pieza semiconductora capaz de hacer funcionar el láser en los tres colores fundamentales. La pieza debe ser lo suficientemente pequeña para que las personas puedan percibir un solo color mezclado general, en lugar de tres colores individuales", dice Fan. "Pero no fue fácil."
"El principal obstáculo fue el desajuste de red, es decir, que la constante de red es demasiado diferente para los distintos materiales que se requieren", dice Liu. "No somos capaces de crear diferentes cristales semiconductores juntos en alta calidad suficiente, utilizando técnicas tradicionales, si sus constantes de red son demasiado diferentes."
Emisión de una nanolámina multi-segmento en rojo, verde, azul, amarillo, cian, magenta y blanco. Los puntos superiores de cada imagen son la imagen de la emisión láser, mientras que las colas son el reflejo en el sustrato. Fuente: ASU/Nature Nanotechnology.
Solución
La solución más deseada, de acuerdo con Ning, era tener una única estructura de semiconductor que emitiera todos los colores necesarios. Él y sus estudiantes de posgrado se orientaron a la nanotecnología para lograr su hito.
La clave es que a escala nanométrica se pueden tolerar mejor los desajustes que en las técnicas tradicionales. Los cristales de alta calidad se pueden hacer crecer incluso con gran desajuste entre las diferentes constantes de red.
Consciente de esta virtud, el grupo de Ning comenzó la búsqueda de las propiedades distintivas de los nanomateriales, como nanocables o nanoláminas, hace más de 10 años. Él y sus estudiantes han estado investigando diversos nanomateriales para ver hasta dónde podían llevar el límite de las ventajas de los nanomateriales para explorar el crecimiento de cristales de alta calidad de materiales muy diferentes.
Hace seis años, gracias a la financiación Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos, demostraron que se podía hacer crecer materiales en nanocables en una amplia gama de bandas prohibidas de energía de manera que se pudiera conseguir láser sintonizable de rojo a verde en un único sustrato de alrededor de un centímetro de largo.
Más tarde consiguieron láser simultáneo en verde y rojo con una sola nanolámina o nanocables semiconductores. Estos logros hicieron pensar a Ning en la posibilidad de un láser blanco.
El zzul, necesario para producir blanco, demostró ser un desafío mayor por su amplia banda prohibida de energía y las muy diferentes propiedades del material.
"Hemos luchado durante casi dos años para hacer crecer materiales emisores de azul en forma de nanoláminas, necesarios para conseguir láseres blancos", dice Turkdogan, que ahora es profesor en la Universidad de Yalova (Turquía).
Primero la forma
Después de una investigación exhaustiva, el grupo finalmente desplegó una estrategia para crear la forma deseada, y luego convertir los materiales en las aleación correctas para emitir en azul. Esta estrategia de desacoplamiento de los perfiles estructurales y de composición representa un cambio importante. Turkdogan dice que "por lo general, en el desarrollo de materiales la formas y la composición se consiguen al mismo tiempo."
Si bien esta primera prueba de concepto es importante, sigue habiendo obstáculos importantes para hacer este tipo de láseres blancos aplicables para iluminación en la vida real. Uno de los próximos pasos cruciales es lograr láseres blancos similares alimentados por una batería. Para la demostración, los investigadores tuvieron que utilizar una luz láser para bombear electrones que emitieran luz.
La solución más deseada, de acuerdo con Ning, era tener una única estructura de semiconductor que emitiera todos los colores necesarios. Él y sus estudiantes de posgrado se orientaron a la nanotecnología para lograr su hito.
La clave es que a escala nanométrica se pueden tolerar mejor los desajustes que en las técnicas tradicionales. Los cristales de alta calidad se pueden hacer crecer incluso con gran desajuste entre las diferentes constantes de red.
Consciente de esta virtud, el grupo de Ning comenzó la búsqueda de las propiedades distintivas de los nanomateriales, como nanocables o nanoláminas, hace más de 10 años. Él y sus estudiantes han estado investigando diversos nanomateriales para ver hasta dónde podían llevar el límite de las ventajas de los nanomateriales para explorar el crecimiento de cristales de alta calidad de materiales muy diferentes.
Hace seis años, gracias a la financiación Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos, demostraron que se podía hacer crecer materiales en nanocables en una amplia gama de bandas prohibidas de energía de manera que se pudiera conseguir láser sintonizable de rojo a verde en un único sustrato de alrededor de un centímetro de largo.
Más tarde consiguieron láser simultáneo en verde y rojo con una sola nanolámina o nanocables semiconductores. Estos logros hicieron pensar a Ning en la posibilidad de un láser blanco.
El zzul, necesario para producir blanco, demostró ser un desafío mayor por su amplia banda prohibida de energía y las muy diferentes propiedades del material.
"Hemos luchado durante casi dos años para hacer crecer materiales emisores de azul en forma de nanoláminas, necesarios para conseguir láseres blancos", dice Turkdogan, que ahora es profesor en la Universidad de Yalova (Turquía).
Primero la forma
Después de una investigación exhaustiva, el grupo finalmente desplegó una estrategia para crear la forma deseada, y luego convertir los materiales en las aleación correctas para emitir en azul. Esta estrategia de desacoplamiento de los perfiles estructurales y de composición representa un cambio importante. Turkdogan dice que "por lo general, en el desarrollo de materiales la formas y la composición se consiguen al mismo tiempo."
Si bien esta primera prueba de concepto es importante, sigue habiendo obstáculos importantes para hacer este tipo de láseres blancos aplicables para iluminación en la vida real. Uno de los próximos pasos cruciales es lograr láseres blancos similares alimentados por una batería. Para la demostración, los investigadores tuvieron que utilizar una luz láser para bombear electrones que emitieran luz.
Referencia bibliográfica:
Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu, David Shelhammer, C. Z. Ning: A monolithic white laser. Nature Nanotechnology (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.149.
Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu, David Shelhammer, C. Z. Ning: A monolithic white laser. Nature Nanotechnology (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.149.
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