Un team internazionale di ricercatori guidati dalla Kyushu University e dal Changchun Institute of Applied Chemistry, Accademia cinese delle scienze, si è dimostrato stabile, laser continuo a temperatura ambiente per oltre un'ora da una classe di materiali a basso costo chiamati perovskiti, superando finalmente un fenomeno che finora ha impedito un funzionamento così lungo.

Utilizzati in tutto, dalla produzione e ricerca alla comunicazione e all'intrattenimento grazie alla loro emissione di luce altamente uniforme, i laser sono spesso classificati in base al materiale che converte l'energia in ingresso, di solito luce o elettricità, in luce laser, con materiali comuni inclusi semiconduttori inorganici e organici, gas e cristalli.

I recenti sviluppi delle perovskiti le hanno rese attraenti per i laser perché possono essere fabbricate da una soluzione a basso costo per avere colori regolabili e un'eccellente stabilità, ma un fenomeno chiamato "morte laser" fa sì che il laser in condizioni di funzionamento costante a temperatura ambiente si fermi dopo pochi minuti per ragioni non chiare.

Ora, i ricercatori dell'Università di Kyushu e dell'Istituto di chimica applicata di Changchun riportano sulla rivista Natura che sono riusciti a superare la morte laser nelle perovskiti quasi-2-D prendendo in considerazione gli stati energetici chiamati eccitoni tripletti.

"La realizzazione di laser basati su semiconduttori organici è stata principalmente ostacolata dalle perdite causate dall'accumulo di triplette. Tuttavia, la situazione per le triplette nelle perovskiti quasi-2-D doveva ancora essere completamente considerata, "dice Chuanjiang Qin, professore dell'Istituto di chimica applicata di Changchun, Accademia cinese delle scienze, e ricercatore capo dello studio.

Mentre l'energia nei dispositivi optoelettronici è spesso considerata in termini di cariche positive e negative, le cariche opposte possono anche unirsi e formare temporaneamente uno stato energetico chiamato eccitone prima di rilasciare la loro energia. Gli eccitoni sono frequentemente osservati nei semiconduttori organici e, per considerazioni di meccanica quantistica, il più delle volte cadono in due tipi chiamati singoletti e terzine, con l'emissione di luce quasi impossibile per le triplette.

Le perovskiti quasi-2-D studiate dai ricercatori sono una combinazione di inorganici e organici, con regioni di cristalli di perovskite costituite dagli stessi componenti ripetuti in ogni direzione racchiusi tra fogli organici. Il team ha recentemente trovato prove di eccitoni triplette con lunghi tempi di vita di quasi un microsecondo nei materiali, quindi si sono concentrati sulle triplette come possibile causa della morte laser.

"Le triplette non emettono luce e hanno la tendenza a interagire con le canottiere che emettono luce in un modo che fa sì che entrambi perdano la loro energia senza produrre luce, " spiega Qin. "Così, se le triplette sono presenti nelle perovskiti, probabilmente abbiamo bisogno di toglierli di mezzo in modo che non interferiscano con il laser."

Per fare questo, i ricercatori hanno incorporato nelle perovskiti uno strato organico che contiene triplette in uno stato di bassa energia. Poiché gli eccitoni vogliono spostarsi verso energie inferiori, gli eccitoni di tripletto a lunga vita si trasferiscono dalla porzione luminescente della perovskite agli strati organici, riducendo così le perdite e consentendo al laser in condizioni di eccitazione ottica costante di continuare senza interruzioni. In alternativa, i ricercatori hanno scoperto che potrebbero anche ottenere laser continui semplicemente mettendo lo strato di perovskite in aria poiché l'ossigeno può distruggere triplette, confermando ulteriormente che le perdite causate da tre gemelli sono una possibile causa di morte laser.

Nei loro migliori dispositivi ad alimentazione ottica, l'intensità del laser in funzionamento continuo è rimasta pressoché invariata dopo un'ora a temperatura ambiente in aria con un'umidità relativa del 55%, e gli spettri laser mantennero la loro ristrettezza senza spostarsi.

"Abbiamo dimostrato il ruolo chiave delle triplette nel processo laser di questi tipi di perovskiti e l'importanza di gestire le triplette per ottenere un laser continuo, "dice Chihaya Adachi, direttore del Centro per la fotonica organica e la ricerca elettronica dell'Università di Kyushu e leader del team dell'Università di Kyushu. "Queste nuove scoperte apriranno la strada al futuro sviluppo di una nuova classe di laser ad azionamento elettrico basati su perovskiti che sono a basso costo e facilmente fabbricabili".