Las nuevas ideas sobre las células vivas, los proyectores de video más brillantes y las pruebas médicas más precisas son solo tres de las innovaciones que podrían resultar de una nueva forma de fabricar láseres.
El nuevo método, desarrollado por un equipo de investigación internacional de U of T Engineering, la Universidad de Vanderbilt, el Laboratorio Nacional de Los Alamos y otros, produce luz láser continua que es más brillante, menos costosa y más sintonizable que los dispositivos actuales mediante el uso de nanopartículas conocidas comopuntos cuánticos.
"Hemos estado trabajando con puntos cuánticos durante más de una década", dice Ted Sargent, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática Edward S. Rogers Sr. en U de T. "Son más de cinco milveces más pequeño que el ancho de un cabello humano, lo que les permite atravesar los mundos de la física cuántica y clásica y les da propiedades ópticas útiles ".
"Los puntos cuánticos son conocidos emisores de luz brillante", dice Alex Voznyy, investigador asociado senior en el laboratorio de Sargent. "Pueden absorber mucha energía y reemitirla a una frecuencia particular, lo que los hace particularmente adecuadosmaterial para láser "
Al controlar cuidadosamente el tamaño de los puntos cuánticos, los investigadores en el laboratorio de Sargent pueden 'ajustar' la frecuencia o el color de la luz emitida a cualquier valor deseado. Por el contrario, la mayoría de los láseres comerciales están limitados a una frecuencia específica, ouna gama muy pequeña, definida por los materiales de los que están hechos.
La capacidad de producir un láser de cualquier frecuencia deseada a partir de un solo material daría un impulso a los científicos que buscan estudiar enfermedades a nivel de tejidos o células individuales al ofrecer nuevas herramientas para sondear reacciones bioquímicas. También podrían habilitar proyectores de pantalla lásereso sería más brillante y más eficiente energéticamente que la tecnología LCD actual.
Pero aunque la capacidad de los puntos cuánticos coloidales para producir luz láser fue demostrada por primera vez por el coautor Victor Klimov y su equipo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos hace más de 15 años, la aplicación comercial ha sido difícil de alcanzar. Un problema clave ha sido que hastaahora, la cantidad de luz necesaria para excitar los puntos cuánticos para producir luz láser ha sido muy alta.
"Debe estimular el láser usando más y más potencia, pero también hay muchas pérdidas de calor", dice Voznyy. "Eventualmente se calienta tanto que simplemente se quema". La mayoría de los láser de punto cuántico se limitan a pulsosde luz que dura solo unos pocos nanosegundos, billonésimas de segundo.
El equipo, que incluía a Voznyy, los investigadores posdoctorales Fengjia Fan y Randy Sabatini y el candidato a MASc Kris Bicanic, superó este problema al cambiar la forma de los puntos cuánticos, en lugar de su tamaño. Fueron capaces de crear puntos cuánticos con un núcleo esféricoy una concha con forma de Skittle, un M&M o un platillo volador, una forma esférica 'aplastada' conocida como esferoide achatado.
La falta de coincidencia entre la forma del núcleo y la carcasa introduce una tensión que afecta los estados electrónicos del punto cuántico, disminuyendo la cantidad de energía necesaria para activar el láser. Como se informó en un artículo publicado en Naturaleza , la innovación significa que los puntos cuánticos ya no están en peligro de sobrecalentamiento, por lo que el láser resultante puede disparar continuamente.
Si bien los puntos cuánticos a menudo se construyen depositando moléculas una a la vez en el vacío, el equipo de Sargent mezcla soluciones líquidas que contienen varios precursores de puntos cuánticos. Cuando las soluciones reaccionan, producen puntos cuánticos sólidos que permanecen suspendidos en el líquido.estos se conocen como puntos cuánticos coloidales. La innovación clave del equipo fue agregar moléculas de cobertura específicas a la mezcla, lo que les permitió controlar la forma de las partículas para obtener las propiedades deseadas, un enfoque que Fan llama 'química inteligente'.
"El procesamiento basado en soluciones reduce en gran medida el costo de hacer puntos cuánticos", dice Fan. "También facilitará la ampliación de la producción, porque podemos utilizar técnicas ya establecidas en la industria de la impresión".
El proyecto incluyó una serie de socios nacionales e internacionales. Las simulaciones por computadora en colaboración con la Universidad de Ottawa y el Consejo Nacional de Investigación guiaron el diseño de los puntos cuánticos. Pruebas analíticas del Instituto de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala de Vanderbilt en Nashville, TN,así como el Centro de Materiales de Alta Tecnología de la Universidad de Nuevo México en Albuquerque, NM y Los Alamos confirmaron que los productos finales tenían la forma, composición y comportamiento deseados mediante el análisis de puntos cuánticos individuales a nivel atómico.
"Nos impresionó no solo la estructura de ingeniería en sí, sino también el nivel de uniformidad que han logrado", dice Sandra Rosenthal, directora del Instituto Vanderbilt de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala. "El equipo de Sargent ha logrado crear puntos cuánticos conuna estructura única y elegante. Esta es una investigación emocionante ".
El equipo tiene más trabajo por hacer antes de que puedan buscar la comercialización. "Para este dispositivo de prueba de concepto, estamos entusiasmando los puntos cuánticos con luz", dice Sabatini. "En última instancia, queremos pasar a entusiasmarlos".con electricidad. También queremos aumentar la potencia a milivatios o incluso vatios. Si podemos hacer eso, entonces se vuelve importante para la proyección láser ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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