Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato il primo laser in miniatura in cui la luce viene guidata lungo il pavimento di una trincea metallica aperta. Il laser potrebbe agire come un dispositivo su scala nanometrica per rilevare minuscole quantità di inquinanti e altre sostanze chimiche nell'ambiente, o rilevare il legame superficiale delle biomolecole per la diagnostica medica.

Wenqi Zhu del NIST e dell'Università del Maryland, insieme ai fisici del NIST Henri Lezec e Amit Agrawal, descritto il loro lavoro in una recente edizione di Science Advances. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con la Nanjing University in Cina e l'Università del Michigan.

Lo sviluppo del nuovo laser si basa sull'interazione tra i fotoni, particelle di luce, e il mare di elettroni che galleggia lungo la superficie di un metallo. Le interazioni tra i fotoni e le increspature nel mare degli elettroni producono un tipo speciale di onda luminosa, soprannominato un polaritone plasmonico di superficie (SPP), che è strettamente limitato a viaggiare solo lungo la superficie del metallo. Questo confinamento rende gli SPP altamente sensibili a qualsiasi cosa si trovi sulla superficie metallica.

Come primo passo verso la costruzione del laser in miniatura, il team ha modellato in argento una piccola cavità aperta a forma di trincea in cui gli SPP possono risuonare. La cavità è una superficie piana fiancheggiata da minuscole, pareti laterali a specchio che riflettono le onde di superficie avanti e indietro.

Attraverso un'attenta fabbricazione, la cavità risonante possedeva due proprietà chiave:tutte le sue superfici interne erano lisce su scala atomica, di spessore variabile non più di pochi nanometri, e le sue pareti laterali erano perpendicolari rispetto al piano della cavità piana. Il design, reso possibile modellando l'argento utilizzando una sagoma in silicone modellata con precisione, ha permesso agli SPP di rimbalzare avanti e indietro attraverso la cavità centinaia di volte senza perdere energia significativa, come una corda di chitarra che sostiene a lungo una nota pura. Quella proprietà, noto come fattore di alta qualità, o Q alto, è essenziale per la costruzione di un laser. Il Q misurato dal team è il più alto fino ad oggi per qualsiasi risonatore a luce visibile che utilizza solo SPP.

L'alto Q ha anche permesso alla cavità di agire come un filtro estremamente selettivo per gli SPP:solo quelli con lunghezze d'onda che rientravano in una banda stretta potevano risuonare nella cavità. La gamma ristretta è importante perché consente alla cavità risonante (anche prima che diventi parte di un laser) di diventare un rivelatore altamente sensibile di piccoli cambiamenti nel suo ambiente, la presenza di particolato o l'aggiunta di un film sottile al pavimento della cavità . Tali cambiamenti spostano il centro della banda di lunghezze d'onda che risuoneranno nella cavità.

"Ottenendo una risonanza ristretta, lo spostamento della lunghezza d'onda è chiaro, e la cavità aperta può fungere da rivelatore squisitamente sensibile, " ha detto Lezec.

Dopo aver dimostrato che la cavità può essere utilizzata come sensore, il team ha quindi lavorato per trasformare il loro design in un laser. Lo hanno fatto aggiungendo un rivestimento ultrasottile alla cavità che amplificava l'intensità dell'SPP che viaggiava attraverso la struttura. Questo è il primo laser su nanoscala mai costruito manipolando un SPP che viaggia su una singola superficie metallica piana, ha notato Lezec.

Le simulazioni suggeriscono che il laser SPP potrebbe diventare un rivelatore ancora più sensibile per materiali chimici e ambientali rispetto all'utilizzo della sola cavità risonante. Il design del laser consente inoltre di integrarlo facilmente in un circuito fotonico e può anche consentire nuovi studi sulla plasmonica quantistica, l'interazione su scala nanometrica della materia con le proprietà quantistiche della luce.