Una nueva palabra para los libros de ciencia ficción: el «nanoespáser.» Un nanoláser plasmónico, un láser de menos de 100 nanómetros basado en plasmones. Su impacto potencial es enorme en la fabricación de nanocircuitos fotónicos ultrarrápidos, técnicas de nanolitografía, sensores bioquímicos monomoleculares, o en las tecnologías de información cuántica. Los plasmones son ondas generadas por el movimiento colectivo de electrones libres en la superficie de un metal. Todavía no se ha fabricado un nanoláser plasmónico práctico, pero las tecnologías para fabricarlos se han logrado recientemente, como nos cuentan dos físicos teóricos de la Universidad Autónoma de Madrid, Francisco J. Garcia-Vidal y Esteban Moreno, en «Lasers go nano,» Nature 461: 604-605, 1 October 2009, haciéndose eco de dos artículos técnicos publicados recientemente en Nature, los de Rupert F. Oulton et al., «Plasmon lasers at deep subwavelength scale,» Nature 461: 629-632, 1 October 2009, y M. A. Noginov et al., «Demonstration of a spaser-based nanolaser,» Nature 460: 1110-1112, 27 August 2009.

Un láser emite un haz intensa y fuertemente colimado de luz (casi) monocromática coherente. La luz de una bombilla es incoherente, con un espectro relativamente ancho, de intensidad débil y poco colimada (casi onmidireccional). Un láser requiere dos elementos, una cavidad óptica en la que la luz se vuelve coherente por resonancia y un medio que amplifica dicha luz. Un proceso parecido a la afinación de una orquesta antes de iniciar un concierto. Los músicos interpretan una única nota estimulada por las notas tocadas por otros músicos y afinan su instrumento. Para el espectador, la sala de conciertos se llena de un ruido incoherente que evoluciona hacia un acorde tonal bien afinado.

Un nanoláser óptico es imposible ya que no se puede superar el límite de resolución por difracción de la luz utilizada. Para luz visible, con longitudes de onda entre 300 y 800 nm (nanómetros), la cavidad láser más pequeña está limitada a unos cientos de nanómetros. La nanotecnología requiere menos de 100 nanómetros. ¿Cómo lograr un nanoláser? Utilizando electrones en una cavidad metálica, ya que la longitud de onda de los electrones es menor que las de los fotones (igual que la diferencia entre un microscopio óptico y uno electrónico). Los electrones pueden resonar la superficie de un metal produciendo una ondas llamadas plasmones superficiales. Estas ondas generan ondas electromagnéticas fuertemente localizadas en la superficie. En lugar de láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation o amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) podemos hablar de «spáser» (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission o amplificación de plasmones superficiales por emisión estimulada). Los plasmones, en lugar de los fotones, permiten fabricar un «nanoespáser,» el equivalente plasmónico de un nanoláser. Fabricar un láser de plasmones o «spáser» no es fácil ya que los plasmones sufren pérdidas muy importantes. Para evitarlas hay que diseñar un medio que los amplifique hasta superando con creces dichas pérdidas. Los nuevos artículos técnicos de Noginov et al. y Oulton et al. han logrado desarrollar un medio amplificador de este tipo en la nanoescala.

Noginov y sus colaboradores han encapsulado nanopartículas de oro (de 14 nm de diámetro) en esferas de sílice de 44 nm de diámetro (como muestra la parte izquierda de la figura que abre esta entrada). La amplificación se obtiene gracias al dopado del silicio con ciertas moléculas orgánicas.  Los plasmones se propagan en el núcleo de oro, propagándose por el envoltorio de sílice como ondas de luz láser con una longitud de onda de 531 nm.

Oulton y sus colaboradores han utilizado como cavidad «láser» para los plasmones superficiales un nanohilo semiconductor de sulfuro de cadmio de alta ganancia separado de un «espejo» de plata por un aislante de 5 nm (como muestra la parte derecha de la figura que abre esta entrada). El nanohilo tiene un diámetro del orden de 25 nm y los fotones reflejados tienen una longitud de onda de 489 nm (un láser convencional requeriría unos 500 nm de diámetro como mínimo teórico).

Ambos estudios ofrecen importantes avances en la ciencia de los láseres plasmónicos, aunque todavía quedan varias cuestiones técnicas por resolver antes de ver estos «nanoespáseres» en aplicaciones prácticas. La coherencia de la luz emitida por estos dispositivos todavía no ha sido caracterizada. Además, no es luz colimada (la luz es emitida en todas las direcciones). Sin embargo, en los próximos años se avanzará muchísimo en este campo.