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Spaser

Un láser spaser o plasmónico es un tipo de láser que busca confinar la luz a una escala sublongitudinal muy por debajo del límite de difracción de Rayleigh , almacenando parte d...

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Un láser spaser o plasmónico es un tipo de láser que busca confinar la luz a una escala sublongitudinal muy por debajo del límite de difracción de Rayleigh , almacenando parte de la energía de la luz en oscilaciones electrónicas llamadas polaritones de plasmón superficial . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] El fenómeno fue descrito por primera vez por David J. Bergman y Mark Stockman en 2003. [ 6 ] La palabra spaser es un acrónimo de " amplificación de plasmón superficial por emisión estimulada de radiación". [ 6 ] Los primeros dispositivos de este tipo fueron anunciados en 2009 por tres grupos: una nanopartícula de 44 nanómetros de diámetro con un núcleo de oro rodeado por un medio de ganancia de sílice teñida , creada por investigadores de las universidades de Purdue, Norfolk State y Cornell, [ 7 ] un nanocable sobre una pantalla de plata por un grupo de Berkeley, [ 1 ] y una capa semiconductora de 90 nm rodeada de plata bombeada eléctricamente por grupos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y de la Universidad Estatal de Arizona. [ 4 ] Mientras que el equipo de Purdue-Norfolk State-Cornell demostró el modo plasmónico confinado, el equipo de Berkeley y el equipo de Eindhoven-Arizona State demostraron la emisión láser en el llamado modo de brecha plasmónica. En 2018, un equipo de la Universidad Northwestern demostró un nanoláser sintonizable que puede preservar su alta calidad de modo al explotar plasmones cuadrupolares híbridos como un mecanismo de retroalimentación óptica. [ 8 ] 

El spaser es una fuente de campos ópticos a nanoescala propuesta que se está investigando en varios laboratorios líderes alrededor del mundo. Los spasers podrían tener una amplia gama de aplicaciones, incluyendo litografía a nanoescala , fabricación de nanocircuitos fotónicos ultrarrápidos , detección bioquímica de moléculas individuales y microscopía. [ 5 ]

De Nature Photonics : [ 9 ]

Un spaser es la contraparte nanoplasmónica de un láser , pero (idealmente) no emite fotones . Es análogo al láser convencional, pero en un spaser los fotones se reemplazan por plasmones de superficie y la cavidad resonante se reemplaza por una nanopartícula, que soporta los modos plasmónicos. De manera similar a un láser, la fuente de energía para el mecanismo de spasing es un medio activo (de ganancia) que se excita externamente. Este campo de excitación puede ser óptico y no estar relacionado con la frecuencia de operación del spaser; por ejemplo, un spaser puede operar en el infrarrojo cercano , pero la excitación del medio de ganancia se puede lograr utilizando un pulso ultravioleta . La razón por la que los plasmones de superficie en un spaser pueden funcionar de manera análoga a los fotones en un láser es que sus propiedades físicas relevantes son las mismas. Primero, los plasmones de superficie son bosones : son excitaciones vectoriales y tienen espín 1, al igual que los fotones. Segundo, los plasmones de superficie son excitaciones eléctricamente neutras. En tercer lugar, los plasmones de superficie son las oscilaciones materiales más colectivas conocidas en la naturaleza, lo que implica que son las más armónicas (es decir, interactúan muy débilmente entre sí). Por lo tanto, los plasmones de superficie pueden experimentar emisión estimulada, acumulándose en un solo modo en grandes cantidades, lo cual constituye el fundamento físico tanto del láser como del spaser.

El estudio del modelo mecánico cuántico del spaser sugiere que debería ser posible fabricar un dispositivo spasing análogo en función al transistor MOSFET , [ 10 ] pero esto aún no se ha verificado experimentalmente.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Oulton, Rupert F.; Sorger, Volker J.; Zentgraf, Thomas; et  al. (2009). "Láseres de plasmones a escala sublongitudinal profunda" ( PDF) . Nature . 461 (7264): 629– 632. Bibcode : 2009Natur.461..629O . doi : 10.1038/nature08364 . hdl : 10044/1/19116 . ISSN 0028-0836 . PMID 19718019. S2CID 912028 .   
  2. ↑ Ma, Ren-Min; Oulton, Rupert F.; Sorger, Volker J.; et al. (2010). "Láser de plasmón subdifracción-limitado a temperatura ambiente por reflexión interna total". Nature Materials . 10 (2): 110– 113. arXiv : 1004.4227 . Bibcode : 2011NatMa..10..110M . doi : 10.1038/nmat2919 . ISSN 1476-1122 . PMID 21170028 . S2CID 10624501 .    
  3. ↑ Noginov, MA; Zhu, G.; Belgrave, AM; et al. (2009). "Demostración de un nanoláser basado en spaser". Nature . 460 (7259): 1110– 1112. Bibcode : 2009Natur.460.1110N . doi : 10.1038/nature08318 . ISSN 0028-0836 . PMID 19684572 . S2CID 4363687 .    
  4. 1 2 Hill, Martin; Marell, Milan; Leong, Eunice; et al. (2009). "Lasing in metal-insulator-metal sub-wavelength plasmonic waveguides" . Optics Express . 17 (13): 11107– 11112. Bibcode : 2009OExpr..1711107H . doi : 10.1364/OE.17.011107 . PMID 19550510 .  
  5. 1 2 Kumar, Pawan; Tripathi, VK; Liu, CS (2008). "Un láser de plasmones de superficie". J. Appl. Phys . 104 (3): 033306–033306–4. Bibcode : 2008JAP...104c3306K . doi : 10.1063/1.2952018 .
  6. 1 2 Bergman, David J.; Stockman, Mark I. (2003). "Amplificación de plasmones de superficie por emisión estimulada de radiación: generación cuántica de plasmones de superficie coherentes en nanosistemas". Phys . Rev. Lett . 90 (2) 027402. Bibcode : 2003PhRvL..90b7402B . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.027402 . PMID 12570577. S2CID 10798864 .  
  7. ↑ Bourzac, Katherine (17 de agosto de 2009). "El láser más pequeño jamás fabricado" . MIT Technology Review .
  8. ↑ Wang, D.; Bourgeois, M.; Lee, W.; et al. (2018). "Nanoláser estirable a partir de plasmones cuadrupolares híbridos". Nano Letters . 18 (7): 4549– 4555. Bibcode : 2018NanoL..18.4549W . doi : 10.1021/acs.nanolett.8b01774 . OSTI 1594600 . PMID 29912567 . S2CID 49302957 .    
  9. ↑ Stockman, Mark I. (junio de 2008). "Explicación de los spasers". Nature Photonics . 2 (6): 327– 329. Bibcode : 2008NaPho...2..327S . doi : 10.1038/nphoton.2008.85 . ISSN 1749-4885 . 
  10. ↑ Stockman, Mark I. (2010). "El spaser como generador cuántico a nanoescala y amplificador ultrarrápido". Journal of Optics . 12 (2) 024004. arXiv : 0908.3559 . Bibcode : 2010JOpt...12b4004S . doi : 10.1088/2040-8978/12/2/024004 . ISSN 2040-8978 . S2CID 2089181 .  

Lecturas adicionales

  • Galanzha, Ekaterina I.; Weingold, Robert; Nedosekin, Dmitry A.; et  al. (2017). "Spaser como sonda biológica" . Nature Communications . 8 (1) 15528. Bibcode : 2017NatCo...815528G . doi : 10.1038/ncomms15528 . ISSN 2041-1723 . PMC 5472166. PMID 28593987 .