Los artífices del proyecto GOSFEL, financiado con fondos europeos, han mostrado el funcionamiento de un tipo nuevo de fuente de láser compacta, un láser de electrones libres en estado sólido que emplea grafeno y cuyas aplicaciones son muy numerosas y variadas.
Disponer de fuentes de láser compactas y de coste rentable generaría multitud de aplicaciones en sectores muy diversos, como las comunicaciones (p. ej. la comunicación óptica de espacio libre), la seguridad (p. ej. las contramedidas frente a misiles) y la detección (p. ej. de explosivos). Los vacíos que existen en el espectro (sobre todo en el rango de los terahercios y buena parte del infrarrojo lejano) dan motivos para creer en la posibilidad de desarrollar fuentes nuevas. Por otro lado, los láseres de electrones libres (FEL) ofrecen una alternativa radical a los láseres convencionales como los generadores más eficaces, flexibles y de mayor potencia de radiación coherente regulable desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. Lamentablemente, hoy por hoy los FEL tienen un tamaño y un coste prohibitivos.
El proyecto GOSFEL (Graphene on Silicon Free Electron Laser) se dedicó a sacar partido a las singulares cualidades del grafeno descubiertas recientemente. Así, logró lo que el profesor Geoffrey Nash (su coordinador) describe como una meta ya antigua de la física y la ingeniería: crear una versión en estado sólido de tal láser que sea compacta y relativamente económica.
De la teoría al diseño y la construcción
La primera prioridad de GOSFEL era lograr una mayor comprensión a nivel teórico de la física y los principios subyacentes, para después diseñar y construir un híbrido de metamaterial de grafeno que funcionase como cavidad láser y potenciase notablemente la interacción entre la luz y el grafeno.
Por norma, los FEL funcionan del modo siguiente: los haces de electrones emiten radiación al moverse por un vacío y atravesar un campo magnético ondulatorio. La longitud de onda de la emisión es establecida por la energía del haz de electrones y por el periodo del campo magnético.
En lugar de usar un campo magnético, el equipo de GOSFEL ideó una estructura nueva —resultante de grabar patrones en el grafeno— con la que acelerar o decelerar los electrones de forma que emitan radiación en el rango de 0,2 a 10 THz. Actualmente se están ensayando dispositivos dotados con esta estructura, y el equipo responsable confía en demostrar así, en los próximos meses, el principio que sustenta su funcionamiento. Aparte se ha desarrollado una nueva cavidad de retroalimentación electromagnética que se integrará en el dispositivo en última instancia.
Una consecuencia —inesperada hasta cierto punto— del dispositivo híbrido fue la siguiente, en palabras del profesor Nash: «El híbrido de metamaterial de grafeno se desarrolló para que sirviera como cavidad para el láser, pero vimos que también sirve como plataforma de salida para estudiar los parámetros físicos de las interacciones entre la luz y la materia».
Numerosas aplicaciones
El profesor Nash señala que, si GOSFEL demuestra el correcto funcionamiento de un FEL basado en grafeno, ello haría cuestionarse las creencias más afianzadas acerca del funcionamiento de los láseres (como la operabilidad a temperatura ambiente) y plantearía la perspectiva de lograr progresos en varias áreas de la investigación y el desarrollo. El surgimiento de una nueva industria de componentes basados en el grafeno (que podría, quizás, deparar dispositivos más baratos que los actuales, basados en semiconductores) resultaría muy probablemente de gran interés para los fabricantes de sensores, analizadores y diversos instrumentos.
En relación con las aplicaciones concretas más probables, el profesor Nash indicó: «Ya hemos demostrado moduladores de THz que superan el estado de la técnica actual y que podrían integrarse en futuros sistemas de comunicación, y también en fotodetectores basados en grafeno con cavidad mejorada. La adaptabilidad de los modos híbridos allana el camino hacia un sensado sin espectrómetro. Esto, combinado con el detector integrado, abre la posibilidad de contar con sensores miniaturizados, muy sensibles y de coste bajo para, por ejemplo, aplicaciones en el punto de atención médica». Seguidamente añadió que esta tecnología podría dar lugar también a sensores nuevos con que realizar una vigilancia más eficaz de los contaminantes atmosféricos (como el dióxido de nitrógeno), lo cual permitiría articular medidas más eficaces de atenuación y control.
De cara al futuro, Nash señaló que, una vez se obtenga la financiación adecuada, tomarán como punto de partida estas «pruebas de principios» en forma de dispositivos moduladores y detectores y construirán prototipos que resultarán de interés para los sectores dedicados a los componentes y los sensores.
Para más información, consulte:
Sitio web del proyecto
Fuente: Basado en una entrevista al coordinador del proyecto
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Fuente: Cordis Europa
