Dalla loro invenzione nel 1962, i laser a diodi a semiconduttore hanno rivoluzionato le comunicazioni e reso possibile l'archiviazione e il recupero delle informazioni in CD, DVD e dispositivi Blu-ray. Questi laser a diodi utilizzano semiconduttori inorganici cresciuti in elaborati sistemi ad alto vuoto. Ora, un team di ricercatori della Penn State e della Princeton University ha compiuto un grande passo avanti verso la creazione di un laser a diodi da un materiale ibrido organico-inorganico che può essere depositato dalla soluzione su un banco di laboratorio.

"Di solito non è un grande salto trasformare un diodo a emissione di luce in un laser, " ha detto Chris Giebink, professore assistente di ingegneria elettrica, Penn State. "Essenzialmente basta aggiungere specchi e guidare più forte. Una volta che i diodi organici a emissione di luce sono stati inventati 30 anni fa, tutti pensavano che non appena avessimo avuto OLED relativamente efficienti, che presto sarebbe seguito un diodo laser organico."

Come si è scoperto, i laser a diodi organici si sono rivelati davvero difficili da realizzare.

Un diodo laser organico potrebbe avere dei vantaggi. Primo, perché i semiconduttori organici sono relativamente morbidi e flessibili, i laser organici potrebbero essere incorporati in nuovi fattori di forma non possibili per le loro controparti inorganiche. Mentre i laser a semiconduttore inorganici sono relativamente limitati nelle lunghezze d'onda, o colori, di luce che emettono, un laser organico può produrre qualsiasi lunghezza d'onda che un chimico desidera sintetizzare in laboratorio adattando la struttura delle molecole organiche. Questa sintonizzabilità potrebbe essere molto utile in applicazioni che vanno dalla diagnostica medica al rilevamento ambientale.

Nessuno è ancora riuscito a realizzare un diodo laser organico, ma la chiave potrebbe anche coinvolgere materiali correlati - perovskiti organiche / inorganiche - che hanno ricevuto molta attenzione nella comunità di ricerca negli ultimi anni. Questo materiale ibrido è già stato responsabile di un aumento vertiginoso dell'efficienza del fotovoltaico, ha detto Giebink.

Le perovskiti sono minerali abbastanza comuni che condividono una struttura cristallina cubica simile. Un po' paradossalmente, uno dei motivi per cui questi materiali ibridi di perovskite funzionano così bene nelle celle solari è che sono buoni emettitori di luce. Per tale motivo, sono anche di interesse per l'uso in LED e laser. Il materiale che Giebink e i suoi colleghi stanno studiando è composto da un sottoreticolo di perovskite inorganica con molecole organiche relativamente grandi confinate nel mezzo.

"L'obiettivo finale è realizzare un diodo laser a perovskite azionato elettricamente, " ha detto Giebink. "Sarebbe un punto di svolta. È abbastanza facile far lasare il materiale perovskite mediante pompaggio ottico, questo è, puntando un altro laser su di esso. Però, questo ha funzionato solo per impulsi molto brevi a causa di un fenomeno poco compreso che chiamiamo morte laser. Farlo funzionare continuamente è un passo fondamentale verso un eventuale dispositivo azionato elettricamente. Quello che abbiamo trovato in questo recente studio è una curiosa stranezza. Possiamo evitare del tutto la morte laser semplicemente abbassando un po' la temperatura del materiale per indurre una parziale transizione di fase".

In un articolo pubblicato online oggi (20 novembre) sulla rivista Fotonica della natura , Giebink e colleghi riportano il primo "laser a onde continue in un semiconduttore di perovskite a alogenuri di piombo organico-inorganico".

"Quando abbiamo abbassato la temperatura al di sotto della transizione di fase, siamo rimasti sorpresi di scoprire che il materiale inizialmente emetteva luce dalla fase a bassa temperatura, ma poi è cambiato entro 100 nanosecondi e ha iniziato a emettere laser dalla fase ad alta temperatura, per oltre un'ora, " disse Yufei Jia, uno studente laureato nel laboratorio di Giebink e autore principale. "Si è scoperto che quando il materiale si è riscaldato, sebbene la maggior parte del materiale sia rimasta nella fase a bassa temperatura, si sono formate piccole sacche della fase ad alta temperatura, ed era da lì che proveniva il laser."

In alcuni laser inorganici ci sono regioni strette chiamate pozzi quantici in cui i portatori di carica possono essere intrappolati mentre gli elettroni e le lacune cadono nei pozzi. L'intensità del laser dipende da quanti portatori di carica possono essere impacchettati nei pozzi quantici. Nel materiale perovskite, la disposizione delle inclusioni di fase ad alta temperatura all'interno della massa a bassa temperatura sembra imitare questi pozzi quantici e può svolgere un ruolo nel consentire il laser continuo.

"La giuria è ancora fuori su questa spiegazione, " Disse Giebink. "Potrebbe essere qualcosa di più sottile."

Tuttavia, questi risultati indicano un'opportunità per progettare un materiale che abbia le qualità intrinseche di questa disposizione a fase mista, ma senza dover effettivamente raffreddare il materiale a bassa temperatura. L'attuale documento indica un paio di idee su come questi materiali potrebbero essere progettati. Il prossimo grande passo quindi è passare dal pompaggio ottico con un laser esterno a un diodo laser perovskite che può essere alimentato direttamente con corrente elettrica.

"Se riusciamo a risolvere il problema del pompaggio elettrico, i laser a perovskite potrebbero trasformarsi in una tecnologia con un reale valore commerciale, " ha detto Giebink.