Un nuevo nanoláser mecánicamente "estirable" basado en nanopartículas de oro modeladas en una losa elastomérica rodeada por una ganancia líquida puede emitir láser en diferentes longitudes de onda de luz. El nuevo dispositivo, que está inspirado en los camaleones pantera, podría usarse para hacer pantallas ópticas flexibles a todo color y comunicaciones ópticas multicanal.

Los investigadores descubrieron recientemente que ciertas especies de camaleones cambian el color de su piel (de verde a amarillo, por ejemplo) sintonizando activamente una red de nanocristales de guanina dentro de las células de iridóforo. Estas células no son más que cristales fotónicos sintonizables, materiales nanoestructurados en los que la variación periódica del índice de refracción en la escala de longitud de la luz visible produce una brecha de banda fotónica. Esta brecha de banda afecta la forma en que los fotones se propagan a través del material, al igual que un potencial periódico en los semiconductores afecta el flujo de electrones que define las brechas de banda de energía permitidas y prohibidas.

En los cristales fotónicos, la luz de ciertos rangos de longitud de onda puede atravesar los materiales mientras que la luz en otros rangos se refleja. Esto permite ajustar el color reflejado por los cristales cambiando el intervalo de banda.

Volviendo a los camaleones: en estos animales, esta brecha está determinada por la distancia entre los nanocristales de guanina no compactos, que se puede ajustar deformando la piel circundante (elástica). Esto permite cambios de color en todo el rango visible del espectro electromagnético.

Color láser de control mecánico

“Inspirándonos en la naturaleza, nuestro objetivo era crear una fuente láser mecanocrómica que también pudiera cambiar de color a través de un mecanismo similar”, explica teri odom de la Universidad Northwestern, quien dirigió este esfuerzo de investigación. "Para hacer un dispositivo de este tipo, en el que pudiéramos controlar mecánicamente el color del láser, explotamos una cavidad láser basada en una matriz periódica de nanopartículas en una matriz de polímero estirable (PDMS) y moléculas de colorante líquido que rodean las nanopartículas".

La superficie de las nanopartículas admite electrones de conducción que oscilan colectivamente. Estas oscilaciones se conocen como plasmones de superficie y, en el caso de las matrices de nanopartículas metálicas, se denominan "plasmones de celosía". Es gracias a estos plasmones, que cuando se acoplan con la luz, permiten comprimir la luz hasta la nanoescala y enfocarla en puntos más pequeños que la mitad de su longitud de onda (el llamado límite de difracción).

La mayoría de los láseres basados ​​en plasmones fabricados hasta la fecha han sido difíciles de sintonizar porque la ganancia óptica estaba hecha de materiales sólidos, como semiconductores inorgánicos o tintes orgánicos en una matriz sólida. Los investigadores del noroeste recientemente ideó una forma de superar este problema mediante el uso de un material de ganancia líquida (hecho de moléculas de tinte líquido) con las matrices de nanocavidades plasmónicas.

Hay muchas ventajas en el uso de moléculas de colorante líquido”, explica Odom. “Por un lado, podemos disolverlos en diferentes solventes con diferentes índices de refracción. Esto nos permite ajustar el entorno dieléctrico alrededor de las nanopartículas, lo que también nos permite ajustar la longitud de onda del láser en tiempo real. Los materiales de ganancia líquida se pueden manipular fácilmente (en un canal de microfluidos, por ejemplo), algo que también nos permite ajustar la emisión láser simplemente usando líquidos con diferentes índices de refracción”.

Modos de cavidad de alta calidad

“En este nuevo trabajo, las nanopartículas grandes (alrededor de 260 nm de diámetro) que usamos en nuestra red (que tiene un espaciado de 600 nm) producen modos de cavidad de alta calidad que toleran defectos y superficies de muestra irregulares, agrega. “El campo electromagnético confinado en estos modos de cavidad da como resultado una acción láser desde regiones cercanas a las nanopartículas que soportan 'plasmones reticulares cuadripolares híbridos' y pequeños cambios en la distancia entre partículas producen un cambio en la longitud de onda del láser. Al estirar y liberar así el sustrato elastomérico, podemos seleccionar el color de emisión del láser a voluntad”.

Este es exactamente el principio empleado por nuestros amigos los camaleones para ajustar el color de su piel, excepto que usan la presión osmótica para comprimir la red de cristal fotónico en su piel en lugar de estirarla.

"La tecnología podría encontrar uso en futuras pantallas ópticas flexibles, como pantallas de televisión y teléfonos celulares que requieren fuentes de luz coherentes", dice Odom. Mundo de la física. "Nuestro sistema se puede ajustar desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano simplemente usando diferentes materiales de ganancia, lo que es prometedor para pantallas fotónicas a todo color y comunicaciones ópticas multicanal".

Renmin mamá en la Escuela de Física de la Universidad de Pekín, que no participó en esta investigación, dice que el estudio es "un paso significativo" hacia la fabricación de nanoláseres funcionales. “La combinación de material de ganancia variable dinámicamente y red cristalina mecánicamente estirable supera una barrera importante para la realización de láseres de alto rendimiento con capacidad de ajuste de amplio rango”.

Törmä Päivi de la Universidad de Aalto en Finlandia está de acuerdo: "La combinación de sustrato estirable y resonancias de nanopartículas multipolares permite un control mecánico fácil y robusto del color de la luz láser", dice. “Este trabajo nos inspirará a pensar de manera diferente sobre las aplicaciones de las matrices de nanopartículas plasmónicas”.

El nuevo nanoláser estirable se detalla en Nano Letters 10.1021/acs.nanolett.8b01774.