09/Abr/09

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Láser cuántico: mitad luz, mitad materia

Los rayos láser pueden estar llegando a los 50 años, pero todavía son las juveniles y provocativas imágenes de la física fundamental. Desde que el primero fue revelado en 1960, los pronósticos más apocalípticos de cómo podrían ser usados -como rayos de muerte, por ejemplo- han demostrado ser exagerados

Un nuevo tipo de rayo láser podría significar
artefactos más baratos para todos.

Su aplicación pacífica, por otro lado, se puede ver por todos lados, desde cortar y cauterizar hasta combatir el cáncer y las cataratas, hasta suministrar energía a las telecomunicaciones y la electrónica de consumo, y se ha transformado en poco tiempo en una industria que valía 6.000 millones de dólares en 2007. Los avances en el laboratorio láser se traducen en artefactos en nuestros hogares a una velocidad asombrosa: piense en la evolución desde el CD al DVD y ahora en la tecnología Blu-ray, en apenas unas décadas.

De modo que aquí hay una alerta para usted: podríamos estar a punto de presenciar la siguiente etapa en la evolución del láser, una metamorfosis en cómo se produce la luz láser. Una nueva ola de dispositivos parece aprovechar los paquetes de partículas de energía para producir su luz; paquetes que no son luz ni materia, sino ambas. Son los primeros días, pero los avances en domesticar estas bestias exóticas están ocurriendo rápidamente. "Sigo esperando que el progreso termine", dice Jeremy Baumberg, físico en la Universidad de Cambridge, uno de los pioneros. "Pero sigue adelante". Los beneficios podrían ser inmensos: no sólo un láser que usa menos energía que nunca y una nueva tecnología de alumbrado de baja potencia, sino tal vez incluso una manera de hacer la súper poderosa y semimítica computadora cuántica.

¿Qué es este nuevo artículo en la armería del físico? La polariton, o la exciton polariton, para darle su nombre completo. ¿Cómo puede una partícula ser luz y materia simultáneamente? Como ocurre tan a menudo, el secreto yace en la rareza de la física cuántica. Las polaritones no son una clase de bestia que uno espera ver en estado salvaje. Creadas por primera vez en 1991 por investigadores en la University of Tokyo, Japón, se pasan la totalidad de sus cortas vidas en diminutas jaulas espejadas conocidas como microcavidades semiconductoras.

La gestación de una polariton es un proceso complejo. Comienza en un sándwich de materiales semiconductores conocidos como un pozo cuántico. Los electrones están apretadamente juntos en el delgado relleno similar a una hoja de este sándwich -típicamente de menos de un micrómetro de espesor- y por eso son particularmente excitables. Añada una pequeña gota de energía, en forma de luz o voltaje, y algunos de los electrones la absorben y saltan a un nivel de energía más alto, dejando detrás una ausencia de electrones, "agujeros" positivamente cargados. Una pareja de un electrón y un hoyo es llamada exciton, y es generalmente efímero: el electrón energizado pronto libera su energía extra y cae en el agujero otra vez; libera la energía que había tomado abordo en forma de un fotón de luz.

Hasta aquí llega la física astuta. Ubique el pozo cuántico entre dos espejos muy brillantes para crear una cavidad de aproximadamente 1 micrómetro de largo, y ahora el fotón hará un ping en el sistema para crear otro exciton, que a su vez emite su energía liberada como otro fotón. Si se controla cuidadosamente la distancia entre los espejos, los fotones o ondas de luz que emiten muchos excitones pueden ser llevados a incrementar la intensidad y resonar con otros, como las vibraciones de una cuerda de violín enérgicamente tensada. Esto crea aun más excitones que producen más ondas de luz resonantes, y así hasta que la energía empieza a pasar tan rápido por un ciclo entre luz y materia -en apenas unas trillonésimas de segundo- que de acuerdo con las leyes de la física cuántica se vuelve imposible decir en cuál de los dos estados es almacenada. Y eso es una polariton. Materia en forma de electrones y fotones que se juntan para hacerla, pero su precisa identidad permanece poco clara. "Uno se vuelve realmente loco si trata de pensar en las polaritones como mitad materia y mitad luz", dice Baumberg. "Son algo totalmente diferente".

Y resultan ser unos personajes muy raros. Tome su masa, por ejemplo. Los electrones no son una partícula pesada, pero comparados con los fotones, que no tienen masa, son claramente fornidos. Como una polariton contiene todo un electrón, uno podría esperar que su masa esté muy cerca de la del electrón. No es así. De hecho, parece tener apenas una diezmilésima de la masa del electrón.

O tome la manera en que las polaritones funcionan en un grupo. Mientras los electrones rechazan a los de su propia clase, evitando existir en los mismos estados de energía cuántica, las polaritones son totalmente lo contrario, no les gusta nada mejor que acercarse y adoptar un estado cuántico común, o "coherente". Como resultado, las polaritones han demostrado ser sumamente experto en generar luz láser coherente.

Para un físico, esperar que las polaritones puedan generar luz láser es un obvio salto de fe: los láser en dispositivos electrónicos de consumo usan materiales y procesos similares a los usados para producir polaritones. La luz láser es producida en un pozo semiconductor cuántico al llevar electrones a un estado energizado, de modo que muchos de ellos está excitados y pocos no. Los electrones excitados caen entonces otra vez, emitiendo fotones de idéntica frecuencia y fase que pueden ser enfocados en un rayo de luz coherente.

Este proceso no es ayudado por la actitud prescindente de los electrones, que significa que nunca dos electrones compartirán el mismo estado cuántico. De modo que los ingenieros eléctricos recurren a la fuerza bruta y bombean una buena cantidad de energía -en la forma de luz o corriente eléctrica- para forzar a los electrones hacia arriba y con eso empezar el proceso de láser.

En comparación, producir láser con polaritones podría ser muy fácil. Apenas una pequeña cantidad de energía debería ser capaz de iniciar una transición resonante entre luz y materia. Las polaritones creado están muy felices por apiñarse dentro del mismo estado cuántico, emitiendo luz láser coherente cuando se desintegran.

Los experimentos no han decepcionado. Baumberg lideró un grupo de las Universidades de Sheffield y Southampton, ambas en el Reino Unido, que en 2000 demostró por primera vez la promesa de los láser usando polaritonas. Al dirigir la luz de un rayo láser en un pozo cuántico en un ángulo cuidadosamente elegido para incidir el punto de los electrones confinados, descubrieron que podían amplificar la luz y que esta amplificación aumentaba exponencialmente a medida que se incrementaba la potencia del láser, llegando a un factor cercano a 100 (Physical Review Letters, vol 84, p 1547). "Era una ganancia de luz mayor que en cualquier material conocido", dice Baumberg.

A pesar de este principio espectacular, la carrera hacia un láser práctico de polariton ha tropezado desde entonces con algunos obstáculos. Arsenido de galio era una obvia elección de material para los primeros experimentos porque forma la base de una de las familias mejor desarrolladas de semiconductores láser, cuya luz infrarroja es usada en cientos de millones de reproductores de CD y de DVD (ver el gráfico). Por desgracia, resulta no ser ideal como ambiente donde fomentar polaritonas. La investigación inicial de Baumberg y sus colegas fue hecha en temperaturas ultra bajas, entre 10 y 50 kelvin, pero cuando el termostato se levantaba cerca de la temperatura ambiente, el incremento de la agitación térmica causaba que las polaritonas se quebraran. "Eran demasiado delicadas para sobrevivir", dice Pavlos Savvidis, estudiante de investigación en la Universidad de Southampton en ese tiempo.

De modo que se inicia la búsqueda de un semiconductor alternativo donde las polaritonas podían sentirse más en casa. Pronto fue encontrado un semiconductor basado en nitrido de galio, un material que ha sido usado para hacer diodos láser azules y muy brillantes desde los '90. La longitud de onda relativamente pequeña de la luz azul significa que puede grabar información en un medio de almacenamiento y luego leerla otra vez en escalas mucho más pequeñas que las que los láser infrarrojos usaban en tecnologías CD y DVD. Éste es el secreto detrás de la capacidad de almacenamiento de alta definición de los discos Blu-ray.

En pozos cuánticos basados en nitrido de galio, las polaritonas podrían mantenerse estables incluso a temperatura ambiente. Sin embargo, los problemas no fueron solucionados todavía. "La estructura del nitrido de galio es mucho más desordenada que la del arsenido de galio", explica Jacqueline Bloch, que lidera un grupo que desarrolla láser polariton en el Laboratorio de Fotónica y Nanoestructuras en Marcoussis cerca de París, Francia. Ese desorden dificulta obtener luz rebotando dentro de una jaula espejada de manera resonante, necesaria para producir láser de polariton. Esto provocó una iniciativa a todo lo ancho de Europa para diseñar cavidades semiconductoras que pudieran confinar mejor a los fotones.

Finalmente se obtuvieron resultados en 2007, cuando investigadores de la Universidad de Southampton y del Instituto Politécnico Federal Suizo en Lausanne (EPFL) anunciaron que habían producido láser de polariton en nitrido de galio a temperatura ambiente -a una energía de umbral de apenas un décimo de la necesaria en un láser convencional (Physical Review Letters, vol 98, p 126405). Éste podía ser el progreso que la industria está esperando, afirma Baumberg. "La tecnología del Blu-ray es costosa porque los láser de nitrido de galio que van dentro fallan a menudo", dice. Con un umbral de menor potencia, los láser de polariton prometen una mejor confiabilidad, a un precio más bajo.

Todavía hay un obstáculo crucial que superar antes de que los láser de polariton puedan entrar en el mercado. Hasta ahora, todos experimentos exitosos de láser de polariton han use luz de otro láser para iniciar el proceso. Para la electrónica de consumo, una corriente eléctrica es el método preferido. Averiguar cómo construir dispositivos de polariton que arranquen con corriente eléctrica será una empresa difícil, dice Bloch, ya que incluso pondrá demandas más altas en el diseño de la microcavidad. Sin embargo, su grupo y otros que enfrentan este desafío son optimistas, esperan tener éxito dentro de los próximos años.

Las baterías son mejores

Savvidis, ahora con base en Grecia en la Universidad de Creta en Heraklion, no se ha dado por vencido del arsenido de galio mientras tanto. Él y sus colegas anunciaron en mayo de 2008 que habían producido un diodo emisor de luz (LED) por una polariton activada con electricidad en arsenido de galio que funcionó a una temperatura comparativamente templada de 235 kelvin (-38 °C) (Nature, vol 453, p 372). Una demostración a temperatura ambiente ocurrió en febrero de 2009 (Applied Physics Letters, vol 94, p 071109). Un LED es un paso intermedio en el camino hacia un láser, una fuente de luz de baja intensidad que no exige la clase de emisión coherente que los rayos láser demandan. Una vez restringidos a los indicadores de encendido en los televisores, los LED son tecnológicamente importantes por propio derecho, sin embargo. A medida que crece la intensidad y la gama de colores disponibles, se están extendiendo rápidamente a toda clase de aplicaciones de iluminación como una opción súper eficiente a las bombillas incandescentes tradicionales.

La promesa de las polaritonas no termina en fuentes de luz que ahorran energía. De acuerdo con el físico Leonid Butov de la University of California, San Diego, podrían ser candidatas ideales para sustituir las corrientes de electrones en una futura generación de computadoras súper eficientes. Las computadoras convencionales son expertas en el procesamiento de información pero no tan buenas para moverla, dice. La flexibilidad de los electrones entra a mano cuando se manipulan datos en un chip de silicio, pero el transporte de estos datos aprovecha cada vez más la velocidad de los fotones en las fibras ópticas, y no en la de los electrones en los cables de cobre.

Intercambiar la información entre electrones y fotones, y a la inversa, es una empresa difícil y que consume tiempo -no ayudada por el hecho de que es difícil hacer que el silicio emita luz. Aquí, la naturaleza híbrida de las polaritonas podría llegar al rescate. "Porque uno tiene una partícula real ahí, con masa, se pueden aplicar puertas lógicas y controlar las polaritonas en realidad", dice Butov. Sería relativamente sencillo entonces extraer la luz de las polaritonas y usarla para transportar la información almacenada. En julio de 2008, Butov y sus colegas publicaron los detalles de un transistor -el elemento básico de conmutación en un circuito lógico- que usa excitones, la materia precursora de las polaritonas (Science, vol 321, p 229). Ese mismo mes, un artículo teórico detallaba cómo algo similar podía ser obtenido con polaritonas (Physical Review Letters, vol 101, p 016402). En diciembre de 2008, el grupo de Bloch informó sobre la primera demostración del cambio con polariton en un diodo de arsenido de galio enfriado a 10K (Physical Review Letters, vol 101, p 266402). Un dispositivo similar podría formar el componente básico de un transistor de polariton.

En su laboratorio en EPFL, Benoît Deveaud-Plédran mira incluso más adelante. Piensa que las polaritonas podrían señalar el camino hacia una computadora cuántica factible. Era computadora trabajaría manipulando, no corrientes de partículas, sino las mismas propiedades de las partículas. En particular, usarían brujería cuántica para entrelazar los estados de las partículas y transportar la información entre partículas.

Un boceto para crear estas partículas entrelazadas involucra el uso de un estado exótico de la materia llamado condensado de Bose-Einstein. Ni sólido, ni líquido, ni gas, una colección de átomos que se comporta de la misma manera rara cuántica como un único átomo pero a una escala más grande, haciendo mucho más fácil observar esas propiedades. Por desgracia esos condensados atómicos Bose-Einstein sólo se forman dentro de una fracción de un grado de cero absoluto, que hace una tarea difícil sondear sus propiedades, ni pensar en usarlos como una computadora.

En 2006, sin embargo, un equipo de investigadores británicos, franceses y suizos anunció que algo que imitaba el comportamiento de un condensado Bose-Einstein en una cavidad semiconductora que contenía polaritonas enfriadas cerca de 19K (Nature, vol 443, p 409). Crucialmente, los cálculos mostraron que porque las polaritonas son mucho más livianas que los átomos, esa condensación también debería ser posible a temperaturas mucho más altas -incluso a temperatura ambiente. "El condensado de Bose-Einstein es un fenómeno raro con toda clase de propiedades disparatadas, como la súper fluidez", dice Deveaud-Plédran, que era uno del equipo. "Hacerlo a temperatura ambiente sería algo especial".

Deveaud-Plédran sospecha que los condensados de polariton podrían ofrecer algunas otras ventajas útiles. Con las polaritonas, se podrían producir estados entrelazados en un material sólido como un semiconductor, manipular los estados -hacer computación- y luego romperlos y tener el resultado del cálculo codificado en luz, sugiere. Por lo menos, dice Bloch, las polaritonas deberían finalmente proporcionar una fuente a temperatura ambiente de fotones idénticos -un recurso esencial para cualquiera que desarrolle esquemas de codificación para su uso en criptografía cuántica.

Esas sugerencias son para el futuro, por supuesto. Habiendo presenciado qué rápido evolucionan las cosas hasta ahora, nadie está excluyendo ninguna posibilidad. Baumberg indudablemente no. "El láser de polariton fue la primera cosa en que empecé a trabajar como académico, y es la única que no patenté", dice. "Ahora estoy pensando que debería haberlo hecho".

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard