Tendencias21

Emiten por primera vez luz láser blanca

Científicos de Arizona (EE.UU.) han conseguido por primera vez emitir luz láser blanca, con materiales semiconductores. Para ello han creado una nanolámina, de una milésima del grosor de un cabello humano, con tres segmentos para cada uno de los colores elementales (rojo, verde y azul). El dispositivo emite en cualquier color visible, incluido por supuesto el blanco. El objetivo es que sustituya a la menos eficiente luz LED, para iluminación o comunicación inalámbrica.

Emiten por primera vez luz láser blanca

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.»

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.»

Emiten por primera vez luz láser blanca

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.

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.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • No hay tiempo para dormir la siesta en la naturaleza 4 marzo, 2022
    El estudio del sueño en una manada de babuinos salvajes revela que sacrificar el sueño para satisfacer demandas apremiantes es común en la naturaleza, e incluso que podría ser parte de nuestra historia evolutiva humana.
    Redacción T21
  • Descubren cómo "respira" una estrella de neutrones mientras deglute a su compañera 3 marzo, 2022
    Los científicos han descubierto que las estrellas de neutrones pueden emitir al mismo tiempo vientos cálidos y fríos, en diferentes longitudes de onda, mientras se “alimentan” del material de otra estrella. Es la primera vez que se advierte este comportamiento en estos objetos cósmicos extremos.
    Pablo Javier Piacente
  • El supuesto agujero negro más cercano a la Tierra en realidad no existe 3 marzo, 2022
    En 2020, un equipo de astrónomos informó que a solo 1.000 años luz de distancia de la Tierra, en el sistema HR 6819, se encontraba el agujero negro más cercano a nosotros. Ahora, una nueva investigación parece haber comprobado que en realidad no existe ningún agujero negro en esa zona del cosmos. El estudio previo […]
    Pablo Javier Piacente
  • Stonehenge funcionaba como calendario solar hace 4.500 años 3 marzo, 2022
    Stonehenge era un calendario solar hace 4.500 años: los megalitos representan 12 meses de 30 días, más un mes extra de cinco días y un día bisiesto cada cuatro años. Las semanas eran de 10 días y el año se iniciaba con el solsticio de invierno.
    N+1/T21
  • La ciencia española rompe su silencio sobre Ucrania 3 marzo, 2022
    El Ministerio de Ciencia está revisando la colaboración científica española con Rusia como consecuencia de la invasión de Ucrania, al mismo tiempo que tres instituciones científicas de referencia en España recomiendan que se suspenda esa colaboración. Las academias europeas y del Grupo de los Siete, así como destacados astrónomos mundiales, se suman a la condena […]
    Redacción T21
  • Los entornos complejos provocaron el avance de la creatividad humana 2 marzo, 2022
    Según un nuevo estudio, los avances del ser humano moderno durante la Edad de Piedra Media en el sur de África son solamente la "punta del iceberg" del período que forjó el desarrollo del cerebro y la creatividad humana. Al parecer, los olvidados y sacrificados pueblos que habitaron zonas desérticas más al norte habrían conseguido […]
    Pablo Javier Piacente
  • Usarán rayos cósmicos para "escanear" a la Gran Pirámide de Guiza 2 marzo, 2022
    Con el propósito de descubrir a fondo los detalles de su estructura interna, un grupo de científicos utilizará los avances en física de alta energía (HIP) para escanear la Gran Pirámide de Guiza con muones de rayos cósmicos. El monumento, fiel representante de la grandeza del período de esplendor de la civilización egipcia, es la […]
    Pablo Javier Piacente
  • La nostalgia es mucho más que añorar el pasado 2 marzo, 2022
    La nostalgia no solo puede aliviar el dolor físico, sino que también combate la soledad, mejora la resiliencia y potencia la creatividad de las personas. Genera optimismo, autoestima y afecto social.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • La ciencia ucraniana está bajo los escombros de la guerra 2 marzo, 2022
    La ciencia de Ucrania ha quedado paralizada por la guerra, al mismo tiempo que el cerco a la ciencia rusa aumenta después de que el emblemático MIT suspendiera su colaboración con el pretendido Silicon Valley de Moscú. La ciencia española guarda silencio, mientras misiles rusos han impactado un depósito de residuos radiactivos en Kiev, sin […]
    Redacción T21
  • Un antiguo deslizamiento de tierra en el Mar Rojo podría desencadenar un futuro tsunami 1 marzo, 2022
    Un deslizamiento de tierra submarino, que probablemente provocó olas de 10 metros de altura que azotaron la costa egipcia hace aproximadamente 500 años, podría servir para predecir un futuro tsunami en Medio Oriente. Si ese sector de tierra se moviliza nuevamente, los modelos sugieren que podría desencadenar un segundo tsunami dos veces más grande que […]
    Pablo Javier Piacente