La historia de los borradores de entradas en un blog es accidentada. El borrador nace en la oscuridad, va desarrollándose hasta nacer minutos más tarde, horas más tarde, días más tarde, hasta semanas más tarde, incluso muchos borradores mueren antes de ver la luz. Esta entrada nació como borrador tras mi lectura del artículo de Richard Webb, «Quantum lasers: Half light, half matter,» NewScientist 38-41, 11 April 2009 . No me enteré hasta días más tarde que Mezdan, buen amigo de este blog, ya lo había meneado en Menéame. Más aún, citaba su traducción en «Láser cuántico: mitad luz, mitad materia.»  ¿Qué hacer? Lo más habitual es borrar la entrada, sabiendo que la mayoría de los lectores de este blog ya la habrán leído. Sin embargo y sin que sirva de precedente, remataré esta entrada para que vea la luz, manteniendo el título original del borrador (muchas veces cambio los títulos de los borradores justo antes de publicar la entrada). Espero que no os aburra volver a leer lo mismo… aprovecho para recordaros que mis «traducciones libres» contienen aportaciones personales que espero que sean del gusto, al menos, de una «amplia minoría» de los lectores de este blog.

La «polaritónica» se encuentra a medio camino entre la fotónica y la electrónica. Utiliza polaritones, un tipo de cuasipartícula mezcla de luz (fotón) y materia (electrón, fonón, plasmón, etc.). Una cuasipartícula es la combinación de una partícula en un medio y el efecto que esta partícula provoca en su entorno en dicho medio. Teorizados hace muchísimos años, los polaritones de tipo excitón ya aparecían en la tesis doctoral de John J. Hopfield, publicada como «Theory of the Contribution of Excitons to the Complex Dielectric Constant of Crystals,» Phys. Rev. 112: 1555-1567, 1958 , fueron descubiertos experimentalmente en 1991. Los polaritones pueden formar estados coherentes en microcavidades semiconductoras, lo que permite desarrollar láseres de polaritones. Fabricados por primera vez en el 2000, a temperatura ambiente en 2007, los avances no paran. Cada día son más baratos y muchos esperan que pronto muchos electrodomésticos acaben incorporándolos. Nos lo cuenta Richard Webb, «Quantum lasers: Half light, half matter,» NewScientist 38-41, 11 April 2009 .

Un sándwich de capas delgadas (menos de un micrómetro de espesor) de materiales semiconductores forma una heteroestructura, también llamada pozo cuántico. Los electrones en estas delgadas capas cuando absorben un fotón (luz), se excitan, pasan a un nivel superior de energía, dejando tras de sí un «hueco» de carga positiva. Otros electrones se pueden aparear con estos huecos formando excitones, cuya vida media (duración) es muy corta. Se «autodestruyen» liberando de nuevo un fotón «similar» al primero. Si este proceso lo realizamos en una cavidad óptica con espejos que reflejen estos fotones para que vuelvan a excitar otros electrones del material, se producirá un «gas» de excitones estable y coherente (todos los fotones serán «similares»). En esta microcavidad semiconductora el número de excitones crecerá. Estos excitones se acoplan con los fotones formando polaritones de tipo excitón. Estos polaritones son coherentes, como la luz de un láser. La apertura de un agujero en esta cavidad genera un flujo de polaritones (de tipo excitón) al medio exterior, es decir, hemos fabricado un láser de polaritones. Los fotones tienen masa en reposo nula, pero estos polaritones tienen una masa en reposo no nula, unas diez mil veces menor que la de un electrón.

El láser de polaritones vio la luz gracias al trabajo de J. J. Baumberg y sus colaboradores de las universidades británicas de Sheffield y Southampton (J. J. Baumberg et al. «Parametric oscillation in a vertical microcavity: A polariton condensate or micro-optical parametric oscillation,» Phys. Rev. B 62: R16247, 2000 ). Tuvieron que amplificar la luz polaritónica en al menos un factor de 100. Una amplificación espectacular. En palabras del propio Baumberg «It was a bigger light gain than in any known material.» No todo fue jauja. Estos inicios espectaculares pronto empezaron a encontrar ciertas dificultades. Estos primeros trabajos usaron arseniuro de galio a baja temperatura, entre 10 y 50 grados Kelvin. En este material los polaritones no pueden «sobrevivir» a temperatura ambiente. Pronto se empezó a usar el nitruro de galio, en el que los polaritones sobreviven a temperatura ambiente. Baumberg en colaboración con investigadores suizos, logró hacer funcionar un láser de polaritones a temperatura ambiente en S. Christopoulos et al. «Room-Temperature Polariton Lasing in Semiconductor Microcavities,» Phys. Rev. Lett. 98: 126405, 2007 . Una gran noticia de la que se hicieron eco todos los medios. En Nature nos lo contó Leonid V. Butov, «Solid-state physics: A polariton laser,» Nature 447: 540-541, 2007 .

Estos avances provocaron que otros se apuntaron también al carro de la polaritónica (especialmente tras la crisis de las «dot com» que afectó mucho a las empresas de tecnologías fotónicas, lo que provocó que muchos tecnólogos volvieran a la investigación básica). Savvidis, ahora en Grecia, en la Universidad de Creta, en Haraklion, y su grupo lograron construir un láser polaritónico a «casi» temperatura ambiente (-38 °C) basado en arseniuro de galio (más barato que el nitruro de galio), que publicó en S. I. Tsintzos et al., «A GaAs polariton light-emitting diode operating near room temperature,» Nature 453: 372-375, 2008 . Descubrimiento que nos contó magistralmente Benoît Deveaud-Plédran, «Solid-state physics: Polaritronics in view,» News and Views, Nature 453: 297-298, 2008 . La demostración por Savvidis a temperatura ambiente (hasta 42 ºC) no se hizo esperar, S. I. Tsintzos et al. «Room temperature GaAs exciton-polariton light emitting diode,» Appl. Phys. Lett. 94: 071109, 18 February 2009 .

¿Para qué puede servir el láser de polaritones? Muchas son las posibles aplicaciones. Por un lado, pueden ser una alternativa barata a los láseres azules utilizados en la tecnología Blu-ray (que actualmente son caros). También se pueden utilizar como fuente de luz en aplicaciones en las que el diodo LED está empezando a reinar (como los semáforos). Leonid Butov en Nature ya nos comentaba que los polaritones, al tener una masa diez mil veces menor, podrían ser sustituto ideal del electrón en al futura generación de computadores supereficientes (más rápidos y de menor consumo).

La microelectrónica sustituida por la micropolaritónica. Mezclar microelectrónica basada en el silicio con fotónica (optoelectrónica integrada) no es fácil, ya que al silicio le cuesta trabajo emitir luz. Con la polaritónica y tecnologías basadas en el arseniuro de galio se cree que será posible. El grupo de investigación de Butov está muy activo en este campo, con su publicación estrella en julio de 2008, el transistor basado en excitones, precursores de los polaritones, A.A. High et al. «Control of Exciton Fluxes in an Excitonic Integrated Circuit,» Science 321: 229-231, 2008.

Quien quiera saber más puede recurrir a la traducción de «Láser cuántico: mitad luz, mitad materia.»