Desde hace más de una década, los científicos han estado intentando lograr un láser de perovskita activado eléctricamente, un objetivo que se ha mantenido esquivo debido a limitaciones tanto a nivel de material como de dispositivo. A pesar de que estos materiales demostraron un comportamiento prometedor cuando se les estimulaba con luz externa (bombeo óptico), el paso hacia una excitación puramente eléctrica suponía un reto mucho mayor.
Los perovskitas son materiales semiconductores muy valorados por sus altas ganancias ópticas, largas vidas de los portadores de carga y la posibilidad de ajustar su emisión espectral. Son relativamente fáciles de fabricar mediante procesos en solución y se integran bien con otros sistemas, lo que los hace atractivos para diversas aplicaciones optoelectrónicas. Sin embargo, al ser sometidos a corrientes eléctricas intensas, estos materiales se degradaban rápidamente, perdiendo eficiencia y vida útil, lo que impedía su uso en láseres activados por electricidad.
La solución de doble cavidad: una arquitectura innovadora
Un equipo de investigadores de la Universidad de Zhejiang ha presentado un dispositivo de láser de perovskita de doble cavidad, capaz de operar con excitación eléctrica, algo que no se había logrado con éxito hasta ahora. La clave del avance está en separar las funciones de generación de luz y amplificación en dos cavidades distintas, cada una optimizada para una tarea específica.
La primera cavidad contiene un LED de perovskita que convierte la corriente eléctrica en una emisión luminosa intensa y direccional. Esta luz es absorbida por un cristal de perovskita de alta calidad ubicado en la segunda cavidad, que está diseñada para amplificar esa luz hasta alcanzar el umbral de emisión láser. La idea es similar a usar una linterna muy enfocada (la primera cavidad) que ilumina un espejo especial (la segunda cavidad) que no solo refleja la luz, sino que la multiplica hasta formar un rayo láser.
Este diseño no solo permite una emisión láser activada eléctricamente, sino que también reduce significativamente el umbral de corriente necesario para iniciar el láser, alcanzando valores tan bajos como 92 A/cm². Este nivel es hasta diez veces menor que el requerido por láseres orgánicos de última generación, lo que representa una mejora notable en eficiencia.
Ingeniería de materiales a medida
Para que este sistema funcione, fue necesario desarrollar dos componentes con características muy diferentes. La cavidad de amplificación requiere un cristal de perovskita de altísima calidad: en este caso, formamidinio de plomo y yodo (FAPbI₃). Este cristal se creó mediante una técnica conocida como cristalización por temperatura inversa en espacio confinado, que consiste en cultivar el material entre dos superficies durante un ciclo térmico cuidadosamente controlado, que dura aproximadamente dos días. El resultado es una capa con un grosor ideal de 180 nm y una rugosidad superficial inferior a 1 nm, lo que garantiza una alta calidad óptica.
Por otro lado, la cavidad que actúa como LED utiliza una mezcla distinta: Cs₀·₅FA₀·₅PbI₂Br, procesada en solución para formar un LED de alta potencia. Ambas cavidades están integradas con espejos tipo Bragg distribuidos, diseñados para maximizar el acoplamiento óptico entre ellas. Esta eficiencia de acoplamiento alcanzó un 82,7%, lo que fue esencial para el funcionamiento eficaz del dispositivo.
Métricas de rendimiento destacadas
Además del bajo umbral de activación, el láser demostró una vida operativa de 1,8 horas bajo pulsos eléctricos, una cifra que, si bien puede parecer modesta desde el punto de vista comercial, representa un gran salto respecto a dispositivos similares. Los investigadores atribuyen la limitación a la migración de iones bajo campos eléctricos intensos y al calentamiento por efecto Joule, dos fenómenos bien conocidos en dispositivos optoelectrónicos.
El láser también mostró una gran capacidad de modulación, con una banda de 36,2 MHz, lo que indica que puede encenderse y apagarse más de 36 millones de veces por segundo. Esto es especialmente prometedor para aplicaciones en transmisión de datos ópticos, donde la rapidez de conmutación es crucial.
Posibles aplicaciones y próximos pasos
Este hito abre la puerta a nuevos usos en campos como la fotónica integrada, los dispositivos portátiles o los sistemas de comunicación óptica de alta velocidad. A largo plazo, el objetivo es sustituir la arquitectura de doble cavidad por una estructura más compacta y escalable, similar a un diodo láser convencional. Eso permitiría integrar estos dispositivos en chips fotónicos, sensores avanzados o incluso en textiles inteligentes.
Aunque aún quedan retos por superar, como mejorar la disipación de calor o estabilizar la composición de los perovskitas frente a campos eléctricos, este trabajo representa un avance sólido y tangible. La posibilidad de combinar bajo coste, alta eficiencia y operación eléctrica en un láser de perovskita no solo cumple un viejo anhelo de la comunidad científica, sino que allana el camino hacia nuevas generaciones de dispositivos optoelectrónicos inteligentes.
