Nanoláseres ‘dopados’ con zinc para acelerar Internet y la computación cuántica

Científicos de la Universidad Nacional de Australia (Canberra) han mejorado el rendimiento de los láseres pequeños mediante la adición de impurezas, en un descubrimiento que será fundamental para el desarrollo de sensores biomédicos de bajo coste, la computación cuántica, y una Internet más rápida.

Los nanoláseres prometen muchas posibles aplicaciones como la fotónica integrada, las interconexiones ópticas en-un-chip y los sensores ópticos. La clave para la realización de los diseños actuales de la cavidad del láser es el uso de nanomateriales que combinan una alta ganancia con una alta eficiencia de radiación.

Hasta ahora, los esfuerzos para mejorar el rendimiento de los nanomateriales semiconductores se han centrado en la reducción de la tasa de recombinación no radiativa a través de mejoras en la calidad del material y los esquemas de pasivación complejos.

En este caso los científicos han optado por dopar materiales con impurezas para aumentar la tasa de recombinación radiativa. El investigador Tim Burgess agregó átomos de zinc a láseres con un diámetro de la centésima parte de un cabello humano, y hechos de arseniuro de galio -un material ampliamente utilizado en los teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos-. Las impurezas condujeron a una mejora de 100 veces en la cantidad de luz de los láseres.

«Normalmente, nadie se molestaría siquiera en buscar luz en los nanocristales de arseniuro de galio: estábamos añadiendo zinc simplemente para mejorar la conductividad eléctrica», dice Burgess, estudiante de doctorado en la Escuela de Investigación en Física e Ingeniería de ANU, en la nota de prensa de ésta.  «Sólo cuando me dio por comprobar si había emisión de luz me di cuenta de que habíamos descubierto algo.»

Arseniuro de galio

El arseniuro de galio es un material común usado en las células fotovoltaicas, láseres y diodos emisores de luz (LED), pero es difícil de trabajar con él a nanoescala porque el material requiere un revestimiento de la superficie antes de producir luz. Estudios previos de ANU han mostrado cómo fabricar recubrimientos adecuados.

El nuevo resultado complementa estos éxitos aumentando la cantidad de luz generada dentro de la nanoestructura, dice el líder del grupo de investigación, el profesor Chennupati Jagadish.

«Es un descubrimiento emocionante y abre nuevas oportunidades para estudiar otras nanoestructuras con una eficiencia de emisión de luz mejorada para que podemos reducir más el tamaño de los láseres», dice.

Burgess añade que la adición la impurezas al arseniuro de galio, un proceso llamado dopaje, no sólo mejora la emisión de luz.

«El arseniuro de galio dopado tiene una muy corta vida de sólo unos pocos picosegundos, lo que significa que sería muy adecuado para componentes electrónicos de alta velocidad», dice. «El dopaje ha dado realmente una ventaja en el rendimiento a estos nanoláseres.»  La investigación se publica en Nature Communications.

Referencia bibliográfica:

Tim Burgess, Dhruv Saxena, Sudha Mokkapati, Zhe Li, Christopher R. Hall, Jeffrey A. Davis, Yuda Wang, Leigh M. Smith, Lan Fu, Philippe Caroff, Hark Hoe Tan, Chennupati Jagadish: Doping-enhanced radiative efficiency enables lasing in unpassivated GaAs nanowires. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11927.