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Las proteínas fluorescentes de medusas que se cultivaron en bacterias se han utilizado por primera vez para crear un láser, de acuerdo con un nuevo estudio.

El avance representa un gran avance en los llamados rayos láser polariton, según los investigadores. Estos láseres tienen el potencial de ser mucho más eficientes y compactos que los convencionales y podrían abrir nuevas vías de investigación en física cuántica y computación óptica, dijeron los investigadores.

Láseres polariton tradicionales que utilizan semiconductores inorgánicos tienen que ser enfriados a temperaturas increíblemente bajas. Los diseños más recientes basados en materiales orgánicos de electrónica, como los utilizados en las pantallas orgánicas de diodos emisores de luz (OLED), operan a temperatura ambiente, pero necesitan ser impulsados por pulsos de luz en picosegundos (una billonésima de segundo).

Por la reutilización de las proteínas fluorescentes que han revolucionado las imágenes biomédicas, y permitido a los científicos monitorear los procesos dentro de las células, el equipo creó un láser polariton que opera a temperatura ambiente impulsado por pulsos de nanosegundos - sólo mil millonésimas de segundo.

"Pulsos de picosegundos de una energía adecuada son aproximadamente mil veces más difíciles de hacer que los pulsos de nanosegundos, por lo que realmente simplifica la toma de estos láseres polariton de forma significativa", dijo Malte Gather, profesor en la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St. Andrews en Escocia y uno de los inventores del láser.

Gather dijo que las proteínas fluorescentes se han utilizado antes como un marcador en las células vivas o tejido vivo, pero ahora los investigadores han empezado a utilizarlas como un material. "Este trabajo demuestra por primera vez que su estructura molecular es realmente favorable para la operación con un brillo alto - como se requiere, por ejemplo, para convertirlos en láseres", dijo.

Bacterias genéticamente modificadas

Gather y sus colegas de la Universidad de Würzburg y la Universidad Técnica de Dresde, ambas en Alemania, usaron la ingeniería genética con bacterias E. coli para producir un aumento de proteína verde fluorescente (EGFP).

Los investigadores llenaron microcavidades ópticas con esta proteína antes de someterlas a un "bombeo óptico", donde se utilizan destellos de luz de nanosegundos para llevar el sistema a la necesaria energía para crear la luz láser.

Es importante destacar que, después de alcanzar el umbral de acción del láser polariton bombeando más energía en el dispositivo, dio lugar a la acción láser convencional. Esto contribuye a confirmar que la primera emisión se debió a la acción láser polariton, que es algo que otros enfoques que utilizan materiales orgánicos no han sido capaces de demostrar hasta el momento.

Los láseres convencionales crean sus intensas haces tomando ventaja del hecho de que los fotones pueden ser amplificados por átomos excitados en el láser, la llamada "ganancia media". Esto se hace típicamente a partir de materiales inorgánicos, tales como gafas, o cristales basados en semiconductores de galio.

La luz láser polariton es casi indistinguible de luz láser convencional, pero el proceso físico que la crea se basa en un fenómeno cuántico para amplificar la luz.

Absorción y re-emisión de fotones por átomos o moléculas repetidas en el medio de ganancia da lugar a cuasi-partículas llamadas polaritonas. En ciertas condiciones - antes de que se alcance el nivel de energía necesaria para la acción láser convencional - los polaritonas sincronizan en una articulación de estado cuántico llamada condensado, que emite luz láser.

Los láseres convencionales requieren más de la mitad de los átomos en el medio de ganancia para entrar en un estado excitado antes de producir luz láser. Este no es el caso en los láseres de polariton, lo que significa que, en teoría, requieren menos energía para ser bombeada en el sistema, según los investigadores.

Innovaciones láser

De acuerdo con Gather, una de las principales ventajas de este nuevo enfoque es que la parte de emisión de luz de las moléculas de proteína está protegida dentro de una carcasa cilíndrica a escala nanométrica, lo que les impide interferir unas con otras.

Esto soluciona un importante problema que ha perjudicado a los diseños anteriores, dijo Stéphane Kena-Cohen, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Física en Polytechnique de Montreal en Canadá, que ha trabajado en los láseres de polariton orgánicos, pero no participó en el nuevo estudio.

"Esto permite que el láser opere con pulsos de bombeo mucho más largos, que son más fáciles de generar y permite implementaciones más simples", dijo Kena-Cohen. "Por el momento, aún quedan muchos retos para este tipo de láseres sean útiles debido a que el umbral de excitación es muy alto, pero son una plataforma fascinante para estudiar física que normalmente ocurre únicamente a temperaturas ultrabajas".

Gather dijo que la física fundamental sugiere mejoras en el diseño y, finalmente, debe permitir láseres de polariton con umbrales considerablemente más bajos que los convencionales, lo que les permitiría ser mucho más eficientes y compactos.

Esto hace que el nuevo estudio sea prometedor para el campo de la computación óptica, dijo, y un pequeño láser basado en biomateriales también podría potencialmente ser implantado en el cuerpo humano para aplicaciones médicas. Mientras tanto, agregó, que son un modelo útil para la investigación de las cuestiones fundamentales de la física cuántica.

Los resultados del nuevo estudio fueron publicados en línea ayer (19 de Agosto) en la revista Science Advances: An exciton-polariton laser based on biologically produced fluorescent protein