Làsers i fotònica

Conceptes bàsics:

 A la natura, tot està format per àtoms i per les unions o enllaços entre ells. Cada àtom està format per un nucli, format per protons (de càrrega positiva); i per neutrons (sense càrrega), i per electrons que es troben movent-se al voltant del nucli. Els electrons hi giren sense cap ordre concret. Cada electró, però, té una zona concreta, anomenada orbital, a on hi ha la màxima probabilitat de trobar-lo. Només hi pot haver un màxim de dos electrons movent-se en sentit contrari per orbital, que pot ser esfèric, el·líptic...

Fem un parèntesis per parlar del fotó. El fotó és la concentració mínima possible d’energia. Els fotons, però, tenen quantitats d’energia diferents entre ells. Segons la seva energia, un fotó es mourà fent ones més curtes si té més energia, i en ones més llargues si en té menys ( i així té menys freqüència d’ona). Un fotó sempre es mou a la velocitat de la llum en el buit.( 300000 quilòmetres per segon).

Quan un àtom rep llum d’un fotó, un dels seus electrons, per compensar per l’energia que està rebent, es mou en un orbital més ampli, arribant a més distància del nucli. Llavors diem que l’àtom s’ha excitat. Però no totes les distàncies des del són possibles. Depenent de la força de càrrega del nucli, només algunes distàncies determinades poden donar-se. Per tant, cada àtom pot agafar només els fotons que li donin aquella mateixa amplitud d’orbital, i no fotons d’energies intermèdies.

Al cap d’uns instants, l’electró torna al seu orbital original, i allibera un fotó.

Làsers:

 Si tenim un espai tancat, dins del qual permetem l’entrada de fotons per una banda,un punt de sortida de fotons molt més petit que l’entrada, i un medi gasós que pugui excitar-se amb els fotons de l’energia que entren, té lloc un fenomen molt curiós. Tots els fotons són rebuts pels àtoms. Al cap d’uns instants, aquests fotons són alliberats pels àtoms, i tot i que alguns poden sortir, la majoria reboten a les parets i es queden a l’espai tancat. Llavors és quan ocorre el fenomen. Quan a l’espai ja hi ha molts fotons, pot ser que els àtoms excitats, abans d’alliberar el fotó, en rebin un altre. Llavors els dos fotons sortiran en la mateixa direcció, i amb la mateixa energia ( i per tant, si són visibles, amb el mateix color).

D’aquesta manera, podem dir que la llum ha quedat ampliada.

Aplicacions dels làsers:

 La llum, o radiació, dels làsers té propietats que la llum normal no té. Primerament, com que tots els seus fotons tenen la mateixa energia, els seu feix de radiació, si és llum visible, només té un color. A més, els seus fotons tenen tots la mateixa direcció i sentit, cosa que li dóna moltes aplicacions.

Una d’elles és la lectura d’informació. Com que la llum només té una direcció i sentit, pot desviar-se. D’aquesta manera, permet la lectura dels CD (Si la llum no es desvia, torna, i l’ordinador compta 1. Si la llum es desvia, compta 0).

També té moltíssimes aplicacions mèdiques. Com que tota la llum va en una mateixa direcció, aplica molta calor, o energia, en un punt. Amb això es pot, per exemple, destruir cèl·lules cancerígenes, o cauteritzar una ferida.

Nous materials

Actualment els científics han començat a investigar per una altra via: la nanotècnica. Es basa en crear i estudiar els materials a nivell molecular, és a dir, a mides de la milionèsima part d’un mil·límetre. En aquest nivell els materials es comporten d’una manera molt diferent que a l’escala habitual. Alguns exemples són:

Els semiconductors:

A l’escala habitual estan fets amb silici, que fa enllaços anormals amb el bor o el fòsfor en lloc de amb si mateix., de manera que queda carregat o ‘dopat’, i condueix en casos especials.

En la nanotècnica s’està estudiant compostos de cadmi i d’estronci. Per començar a parlar del funcionament dels semiconductors moleculars, cal parlar primer de com condueixen l’electricitat els materials.

- Un àtom en estat fonamental ( no excitat) té una capa (zona a on hi ha un nombre determinat d’orbitals possibles) a on hi ha els seus electrons més exteriors. Aquesta és l’anomenada capa de valència. Cal tenir en compte que aquesta només és la més exterior quan l’àtom està en estat fonamental, ja que quan s’excita, els electrons van a capes més externes.En els conductors hi ha pocs electrons a la capa de valència, i per tant poden circular-hi lliurement, conduint l’electricitat.

Hi ha una altra capa en la qual els electrons només hi són si l’àtom està excitat. Aquesta és l’anomenada capa de conducció, i com que hi van pocs electrons, sempre permet una bona conducció del corrent.

La distància entre la capa de valència i la de conducció s’anomena gap. Com més distància hi hagi, més energia cal perquè els electrons facin el salt (generalment). En els materials aïllant, el salt requereix massa energia, i l’àtom perdria l’electró abans que arribés en aquesta capa. En el cas dels semiconductors, però, sí que és possible aquest salt, i últimament s’han utilitzat molt.

Una aplicació molt freqüent són els transistors. En rebre corrent per l’entrada central, i per tant energia, alguns electrons arriben a la capa de conducció, permetent el pas entre l’altra entrada i la sortida del corrent,

Un altre ús, que ha guanyat molt importància en les últimes dècades són els LEDs. Quan passa corrent perun d’aquests díodes, els àtoms del seu material semiconductor s’exciten, fent que alguns electrons se’n vagin a la capa de conducció. D’aquesta manera permeten el corrent, però tot i així, par de l’energia, en lloc d’anar-se’n en forma de corrent, se’n va en forma de llum.

Amb el procés invers es pot aplicar l’energia fotoelèctrica. Quan el semiconductor en un circuit rep un fotó, els electrons de la capa de valència s’exciten, se’n van a la capa de conducció i així es genera un corrent.

Tots aquests processos també s’apliquen amb els semiconductors de silici, però amb els semiconductors moleculars el rendiment és molt més alt.

Nanotúbuls de carboni:

Quan s’utilitzen dos trossos de grafit, de carboni pur, com a càtode i ànode, és a dir, com a pols positius i negatius d’un corrent, quan es posen en contacte, es generen unes petites estructures de propietats revolucionàries.

Aquests productes, els nanotúbuls de carboni, són tubs fets per hexàgons de carboni. Aquestes estructures presenten una propietat molt aprofitable: són conductors balístics. Això vol dir que el corrent es transmet de manera instantània, i que hi ha molt poca pèrdua de corrent. Els electrons passen a l’hora, pel mig del nanotúbul.

Ernest Alsina