Los ingenieros allanan el camino para el próximo

El estudiante de doctorado Len van Deurzen trabaja con una configuración de laboratorio utilizada para operar un dispositivo emisor de láser ultravioleta profundo.

Los ingenieros de Cornell han creado un láser ultravioleta profundo utilizando materiales semiconductores que son muy prometedores para mejorar el uso de la luz ultravioleta para esterilizar herramientas médicas, purificar agua, detectar gases peligrosos y permitir la fotolitografía de precisión, entre otras aplicaciones.

Cuando se trata de luz ultravioleta, dos cualidades importantes son la frecuencia (ciertas frecuencias son mejores para destruir virus o detectar moléculas) y el ancho de línea, una medida de la precisión del láser. Los científicos e ingenieros buscan fuentes de emisión de luz ultravioleta más eficientes y de mayor calidad, pero es un desafío trabajar con los materiales semiconductores que pueden permitir esto.

Un artículo publicado el 11 de marzo en la revista AIP Advances detalla cómo los científicos de Cornell produjeron un dispositivo basado en nitruro de aluminio y galio capaz de emitir un láser ultravioleta profundo en longitudes de onda buscadas y anchos de línea modal.

"Se sabe que este es un material adecuado, pero era un problema de síntesis de materiales", dijo Len van Deurzen, estudiante de doctorado en física aplicada e ingeniería que dirigió la investigación. "El desafío es hacer que los materiales sean lo suficientemente puros para que realmente sean útiles y cumplan con los requisitos de un láser".

Fue un desafío que van Deurzen aceptó durante la pandemia de COVID-19 cuando el mercado comenzó a crecer para los LED ultravioleta y otras herramientas capaces de detectar y eliminar el virus SARS-CoV-2.

"Quería un proyecto de investigación que pudiera tener impacto", dijo van Deurzen, "y la pandemia realmente amplificó la necesidad de dispositivos ultravioleta mejorados".

Bajo la dirección de los autores principales del artículo, Debdeep Jena y Huili Grace Xing, ambos profesores de ciencia e ingeniería de materiales y de ingeniería eléctrica e informática, el equipo utilizó la epitaxia de haz molecular, una técnica de crecimiento de cristales, para hacer crecer un cristal de alta calidad de nitruro de aluminio

"Necesitamos múltiples capas de nitruro de aluminio y galio apiladas una encima de la otra y un parámetro importante es la calidad de la interfaz entre esas capas", dijo van Deurzen. "Podemos hacer crecer interfaces muy nítidas sin las impurezas y dislocaciones que se forman con otras técnicas de crecimiento".

El segundo desafío fue crear una cavidad óptica a partir de las capas apiladas que pudiera usarse para atrapar la luz emitida y promover la emisión estimulada, que es necesaria para el láser. La cavidad se creó en forma de un pequeño resonador de escala micrométrica en un chip de nitruro de aluminio que van Deurzen pudo desarrollar con la ayuda del Centro de Ciencia y Tecnología de Cornell NanoScale.

"Es un verdadero privilegio poder cultivar los materiales y producir el chip en dos instalaciones de última generación ubicadas en el mismo edificio", dijo van Deurzen, refiriéndose a Duffield Hall. "Simplemente ve del tercer piso al sótano".

Una vez completado, el láser pudo lograr una ganancia máxima a una longitud de onda de 284 nanómetros y anchos de línea modal del orden de 0,1 nanómetros. El ancho de línea es un orden de magnitud más preciso que dispositivos similares y demuestra la aplicabilidad del método de crecimiento hacia emisores de luz ultravioleta mejorados.

El láser ultravioleta profundo de Cornell se bombea ópticamente, lo que significa que produce ciertos requisitos para el láser al ingresar fotones en el dispositivo. El próximo paso en la investigación, según Jena, es utilizar la misma plataforma de materiales para realizar un láser que funciona con una corriente eléctrica de una batería, una fuente de energía más práctica para los dispositivos emisores de luz disponibles en el mercado.

"Podría decirse que los láseres ultravioleta profundo son la última frontera en materiales y dispositivos semiconductores con inmensos beneficios a largo plazo", dijo Jena, profesor de ingeniería David E. Burr y miembro de la facultad Richard E. Lunquist Sesquicentennial. "Sin embargo, también es el tipo de problema en el que un joven estudiante graduado puede meterse y tener un impacto inmediato".

Los coautores del artículo incluyen al estudiante de doctorado Ryan Page y los investigadores asociados Vladimir Protasenko y Kazuki Nomoto. La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. y fue apoyada por instalaciones de usuarios financiadas por la Fundación Nacional de Ciencias.

Syl Kacapyr es directora asociada de marketing y comunicaciones de la Facultad de Ingeniería.

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