El intrigante fenómeno de las avalanchas de fotones

Redacción

Los procesos de avalancha (en los que se desencadena una cascada de acontecimientos por una serie de pequeñas perturbaciones) se encuentran en una amplia gama de fenómenos más allá de las avalanchas de nieve, como el estallido de burbujas de champán, las explosiones nucleares, el láser, las redes neuronales e incluso las crisis financieras. La avalancha es un ejemplo extremo de proceso no lineal, en el que un cambio en la entrada o la excitación provoca un cambio desproporcionadamente grande en la señal de salida. Para la generación eficaz de señales ópticas no lineales, suele necesitarse grandes cantidades de material, y hasta ahora este era también el caso de la avalancha de fotones.

En óptica, la avalancha de fotones es el proceso por el que la absorción de un solo fotón en un cristal da lugar a la emisión de muchos. Los científicos han utilizado la avalancha de fotones en láseres especializados, en los que la absorción de fotones desencadena una reacción en cadena de eventos ópticos que, en última instancia, conducen a una emisión muy eficiente de rayos láser.

Sin embargo, la absorción de un único fotón no solamente da lugar a una gran cantidad de fotones emitidos, sino también a una propiedad sorprendente: los fotones emitidos experimentan una conversión ascendente (una transformación con fortalecimiento), ya que cada uno de ellos adquiere mayor energía (un color más azul) que el único fotón absorbido. Esto permite a los científicos utilizar las longitudes de onda de la región infrarroja del espectro electromagnético para crear grandes cantidades de fotones de mayor energía que son mucho mejores para inducir los cambios químicos deseados (como por ejemplo matar células cancerosas) en lugares específicos, dondequiera que se provoque la avalancha de fotones.

El fenómeno de la avalancha de fotones suscitó un gran interés hace más de 40 años, cuando los investigadores reconocieron que su extrema no linealidad podría tener amplias repercusiones en numerosas tecnologías, desde los láseres con la conversión ascendente, hasta la fotónica, los sensores ópticos y los dispositivos de visión nocturna.

Lo que ocurre en una avalancha de fotones guarda cierto parecido con lo que ocurre en el campo de la electrónica con un transistor, donde un pequeño cambio en un voltaje de entrada provoca un gran cambio en la corriente de salida, proporcionando la amplificación necesaria para el funcionamiento de casi todos los dispositivos electrónicos. Las avalanchas de fotones permiten que ciertos materiales funcionen esencialmente como transistores ópticos.

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La ilustración muestra el proceso de reacción en cadena subyacente en el mecanismo de avalancha de fotones conseguido en las nuevas nanopartículas. En este proceso, la absorción de un único fotón de baja energía desencadena una reacción en cadena de transferencias de energía y otros eventos de absorción que dan lugar a muchos iones altamente excitados dentro de la nanopartícula, que luego liberan su energía en la intensa emisión de muchos fotones de mayor energía. (Imagen: Mikolaj Lukaszewicz / Polish Academy of Sciences)

Las avalanchas de fotones se han estudiado casi exclusivamente en materiales basados en lantánidos debido a sus propiedades ópticas únicas que les permiten almacenar energía óptica durante cantidades de tiempo relativamente largas. Sin embargo, conseguir la avalancha de fotones en sistemas de lantánidos ha sido difícil, ya que esto requiere interacciones cooperativas entre muchos iones de lantánidos y otros requisitos. Debido a ello, el aprovechamiento del fenómeno se ha limitado sobre todo a ciertos materiales y a menudo con bajas temperaturas.

Ahora, un equipo internacional que incluye a James Schuck y Changhwan Lee, ambos de la Universidad de Columbia en la ciudad estadounidense de Nueva York, y Artur Bednarkiewicz, de la Academia Polaca de Ciencias, ha conseguido, mediante la aplicación de algunas innovaciones clave en el diseño de nanopartículas, sintetizar con éxito nuevos nanocristales de 20 nanómetros con capacidad de provocar avalanchas de fotones.

Es el primer nanomaterial del que se demuestra dicha capacidad. Este avance abre una serie de aplicaciones muy solicitadas, en campos como la microscopía óptica de superresolución en tiempo real, la medición precisa de la temperatura y otros parámetros ambientales, la detección de luz infrarroja, la conversión óptica de analógico a digital y la detección cuántica.

“Nadie ha visto antes un comportamiento de avalancha como este en los nanomateriales”, enfatiza Schuck. “Estamos muy entusiasmados con nuestros descubrimientos; esperamos que den lugar a todo tipo de nuevas aplicaciones revolucionarias en campos como la  obtención de imágenes y la detección de luz”.

Schuck y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en el artículo titulado “Giant nonlinear optical responses from photon avalanching nanoparticles”, publicado en la revista Nature.

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