La teoría del nanoláser óptico basado en nanotubos de carbono

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La propiedades ópticas de los nanotubos de carbono han sido poco exploradas. Su diámetro, pocos nanómetros (nm), es muy inferior a la longitud de onda de la luz (la visible entre 380 y 780 nm). La óptica cuántica permite que nanotubos de carbono iluminados con luz convencional (no coherente) emitan luz láser (coherente) permitiendo la fabricación de un láser de nanotubos de carbono. La física es elemental y conocida, ahora es el turno de los físicos experimentales que habrán de llevarlo a la práctica. El artículo teórico es de Z. L. Guo, Z. R. Gong, C. P. Sun, “On quantum optical properties of single-walled carbon nanotube,” ArXiv preprint, 15 Apr 2009 .

¿Cómo pueden tener respuesta óptica objetos tan pequeños (200 veces más pequeños que luz incidente)? Las propiedades ópticas de los nanotubos provienen de los electrones que se propagan por ellos. Estos electrones pueden sufrir transiciones electrónicas que conlleven la emisión de fotones. Los nanotubos pueden dispersar (reflejar) fotones y absorberlos a frecuencias muy concretas (asociadas a los saltos de nivel energético para los electrones). También son (foto)luminiscentes, la luz absorbida excita un electrón, generando un “hueco” y creando un par electrón-hueco (un excitón) cuya vida media es corta (unos 0.1 nanosegundos), por lo que se relaja generando fonones (vibraciones del nanotubo) y fotones de luz.

Las propiedades ópticas más interesantes de los nanotubos son no lineales y provienen de la interacción entre los fotones que se dispersan en el nanotubo cuando éste es iluminado con un láser y los que éste emite por luminiscencia. Como son interacciones fotón a fotón, son debidas a efectos cuánticos y sus propiedades son muy interesantes. Por ejemplo, se observan oscilaciones de Rabi. Si se ilumina un nanotubo con luz convencional (no coherente), algunos fotones provocan que algunos electrones se exciten y otros fotones que pasen cerca de electrones excitados pueden provocar que se “relajen” al estado fundamental, emitiendo fotones, todos con la misma fase y frecuencia (luz coherente). Esta emisión estimulada (ya descubierta por Einstein) de tipo coherente ante la incidencia de luz no coherente permite obtener un láser de nanotubos.

La física cuántica del proceso es elemental, por lo que es de esperar que este fenómeno sea verificado experimentalmente en poco tiempo. Un nanoláser de nanotubos de carbono es un dispositivo que promete un halagüeño futuro.

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