Empaquetado con haz: el "láser inverso" funciona como un absorbente de luz casi perfecto


Desde que se inventaron hace 50 años, los láseres se han vuelto extraordinariamente comunes. Cualquier persona con unos pocos dólares de sobra puede conseguir un puntero láser, y cada reproductor de CD, DVD o Blu-ray utiliza un láser para leer los bits codificados en los discos. (No hace falta decir que lo mismo ocurre con los antiguos reproductores de LaserDisc). Cas

Desde que se inventaron hace 50 años, los láseres se han vuelto extraordinariamente comunes. Cualquier persona con unos pocos dólares de sobra puede conseguir un puntero láser, y cada reproductor de CD, DVD o Blu-ray utiliza un láser para leer los bits codificados en los discos. (No hace falta decir que lo mismo ocurre con los antiguos reproductores de LaserDisc). Casi todos saben cómo funcionan los láseres, al menos en el nivel más superficial: un rayo de luz concentrado sale cuando entra energía.
Pero, ¿y si ese mismo proceso pudiera ejecutarse a la inversa, como una película ejecutada hacia atrás? El año pasado, un grupo de físicos en la Universidad de Yale propuso una manera de hacer eso con algo que se llama un láser de tiempo invertido. Un dispositivo de este tipo, que algunos han descrito con el "anti-láser" apropiado para 007, ingiere completamente la luz para producir calor o electricidad utilizando una cavidad óptica que absorbe en lugar de amplificar la luz. En otras palabras, la energía sale cuando entra la luz. Ahora, los mismos investigadores, junto con otros dos colegas de Yale, han logrado construir un anti-láser, que absorbe más del 99% de la luz que la incide y la convierte en térmica. energía. Informaron el avance en la edición del 18 de febrero de la revista Science .
Pero el anti-láser no funciona con ninguna fuente de luz antigua; La absorción es específica de las frecuencias estrechas de la llamada luz coherente, la luz cuyas ondas están sincronizadas, que es lo que emite un láser ordinario. (Dicho de otra manera, la tecnología no produce células solares más eficientes que podrían absorber toda la energía de espectro completo del sol).
El dispositivo surgió de una investigación teórica sobre cómo funcionan los láseres de todo tipo, y luego cómo funcionaría bajo la condición de que los físicos llamen la inversión del tiempo. "Le estaba diciendo a mis colegas, imagínenlo al revés", recuerda el físico teórico Douglas Stone, coautor del nuevo estudio. "Lo iluminas exactamente con la misma luz que emitiría el láser, y todo se absorbería a esa frecuencia". Luego, dice Stone, vino la pregunta clave: "Espera un segundo. ¿Podríamos realmente hacer eso?"
Al asociarse con un grupo de experimentistas de Yale liderado por Hui Cao, los investigadores descubrieron cómo podría funcionar un anti-láser de este tipo. Al dividir un rayo láser y apuntar cada parte a los lados opuestos de una oblea de silicio pulida, el grupo diseñó un sistema de reflexión e interferencia que atrapa ambos haces en el silicio. Incapaces de escapar, son absorbidos y su energía se disipa en forma de calor, y Stone dice que con la ingeniería eléctrica adecuada también es posible. Menos del 1 por ciento de la luz se escapa en el dispositivo de demostración; Con mejores láseres, dicen los investigadores, debería ser posible una absorción aún mayor.
Hacer que las vigas interfieran perfectamente de modo que la oblea de silicio las atrape a las dos es un asunto delicado, una receta que requiere controlar con precisión los rasgos de las dos vigas. La división de un solo rayo láser asegura que ambos lados de la oblea de silicio estén iluminados por la luz con la misma longitud de onda y amplitud, y un retraso en una de las rutas del rayo controla la fase relativa de los haces, ya sea que las ondas de los dos haces estén en el paso o fuera de sincronía. Con el cambio de fase correcto, un material que normalmente reflejaría (como un espejo) o transmitiría (como una ventana) más de un tercio de la luz incidente absorbe de repente casi toda la luz láser que la golpea. "Cuando llegas a esa condición especial, entra y explota; no puede salir", dice Stone.
Un cambio de fase diferente hace exactamente lo contrario, reduciendo la absorción del material. En otras palabras, un cambio en uno de los rayos láser afecta la forma en que ambos rayos interactúan y la cantidad de luz que atraviesa. "Esto es realmente una luz que controla la luz", dice Stone. "Es un interruptor controlado por luz, y eso es bastante nuevo". Esa conmutación podría ser útil para los circuitos ópticos, que utilizan luz en lugar de electricidad para transportar información.
Las propiedades físicas del material ayudan a determinar qué longitudes de onda de luz se absorberán perfectamente; para el dispositivo de silicio inicial, el punto dulce está en el infrarrojo cercano. Pero Cao dice que se podrían preparar dispositivos similares utilizando la misma receta para longitudes de onda visibles. "Si diseñamos nuestra estructura correctamente, podemos hacerlo", dice ella. "Podemos ajustar los parámetros para que esto suceda en el rango visible".
El hecho de que la absorción del anti-láser sea tan sensible a las propiedades de la luz limita su utilidad como colector de energía solar bruta, pero podría ser útil, por ejemplo, para seleccionar señales espectrales muy específicas. "Lo más simple que puedo imaginar es un detector que está sintonizado para detectar la radiación en un ambiente ruidoso donde hay muchas frecuencias", dice el físico teórico Hakan Türeci de la Universidad de Princeton.
Stefano Longhi, un físico del Instituto Politécnico de Milán, dice que la investigación podría llevar a cualquier número de posibles maravillas ópticas. "El experimento es muy limpio, muy impresionante", dice. "Y uno puede imaginar cosas aún más sorprendentes". Una posibilidad es un material que pase de ser transparente a ser un absorbente perfecto, simplemente cambiando el patrón de interferencia de la luz que lo golpea. O uno podría imaginar un material que puede ser un emisor de luz espontáneo o un absorbente perfecto, tanto un láser como un anti-láser en uno. "Este es el primer paso hacia esas fascinantes interacciones de materia y luz", dice Longhi.