Ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Cnr hanno collaborato con istituzioni di tutta Europa per realizzare un laser a cascata quantica compatto ed economico, che sfrutta il potenziale delle radiazioni terahertz per generare impulsi brevi. Il risultato apre prospettive a un vasto numero di applicazioni, dalla diagnostica alle scienze climatiche fino alle comunicazioni ultraveloci. Lo studio è pubblicato su Nature Photonics.
Un team di ricercatori di tutta Europa, coordinato da Miriam Serena Vitiello dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Pisa (Cnr-Nano), ha realizzato un innovativo laser a semiconduttore miniaturizzato, o laser “a cascata quantica”, compatto ed economico, in grado di generare impulsi brevi di radiazione a frequenze terahertz.
L’invenzione, descritta in un articolo sulla rivista Nature Photonics, si basa su una tecnologia estremamente promettente, ma ancora poco sfruttata: a differenza dei laser tradizionali, infatti, che funzionano in modo continuo producendo un fascio di radiazioni costante, il dispositivo realizzato è in grado di generare fasci “pulsati”, cioè accesi e spenti a intervalli regolari, in modo spontaneo, senza il bisogno di alimentazione esterna né di complessa elettronica di controllo, grazie al meccanismo noto come “mode-locking”, un obiettivo ritenuto a lungo irraggiungibile nei laser a terahertz.
La combinazione della tecnologia dei laser a cascata quantica con le proprietà ottiche del grafene
Cuore della tecnologia, l’aver combinato in modo innovativo la tecnologia dei laser a cascata quantica con le proprietà ottiche del grafene. Spiega Miriam Serena Vitello, dirigente di ricerca di Cnr-Nano e principale autrice dello studio: “Per lungo tempo si è ritenuto che la generazione di impulsi brevi fosse impedita dalla natura stessa del meccanismo di emissione dei laser a semiconduttore.
Per superare tale limite, abbiamo sfruttato un’architettura innovativa del dispositivo che integra delle strisce localizzate di grafene inserite in un laser a semiconduttore molto compatto, noto come laser a cascata quantica. La configurazione risultante è compatta, completamente elettronica ed estremamente economica”.
Impulsi auto-generati di una durata di 4 picosecondi
Sono stati così ottenuti, per la prima volta, impulsi auto-generati di una durata di 4 picosecondi – un picosecondo è pari a un millesimo di miliardesimo di secondo- e una tempistica estremamente precisa che rende possibili una gamma di applicazioni nel campo della fisica, della chimica e della spettroscopia.
“Il dispositivo nato da questa collaborazione, impulsato e spontaneo, permetterebbe ad esempio di studiare i processi ultraveloci di interazione tra luce e materia, scattando una sorta di ‘istantanea’”, aggiunge Vitiello. “Inoltre, una simile tecnologia potrebbe essere usata per l’analisi spettroscopica di gas o molecole complesse, anche, ad esempio, in campo climatico e ambientale. O ancora essere sfruttata nelle scienze quantistiche, dove gli impulsi veloci possono portare campioni molecolari fuori dall’equilibrio, nonché nella metrologia e nelle comunicazioni ad altissima velocità”.
Applicazioni dei laser a cascata quantica miniaturizzati
Laser terahertz miniaturizzati potrebbero, infine, sostituire i sistemi ingombranti attualmente utilizzati in vari settori come di l’imaging biomedico, i controlli di sicurezza, il controllo di qualità e il patrimonio culturale, avendo anche una maggiore precisione di analisi.
Il risultato è frutto di una ampia collaborazione scientifica che ha coinvolto, oltre a Cnr-Nano, l’Università di Leeds, l’Università Tecnica di Monaco di Baviera, l’Università di Cambridge e l’Ecole Normale Supérieure di Parigi. Il dispositivo è stato ideato e progettato nel Laboratorio Nest di Cnr-Nano e Scuola Normale Superiore dal team di Miriam Vitiello, che comprende Elisa Riccardi e Valentino Pistore, nell’ambito del finanziamento ERC Consolidator SPRINT, con la collaborazione dei gruppi di Giles Davies e di Edmund Linfield dell’Università di Leeds e di Andrea C. Ferrari dell’Università di Cambridge.
