I ricercatori di Eindhoven hanno sviluppato un nuovo tipo di basso consumo energetico, laser su scala nanometrica che brilla in tutte le direzioni. La chiave della sua emissione di luce omnidirezionale è l'introduzione di qualcosa che di solito è altamente indesiderabile nella nanotecnologia:irregolarità nei materiali. I ricercatori prevedono una vasta gamma di potenziali applicazioni, ma prima sperano che il loro lavoro fondamentale ispiri gli altri a migliorarlo ulteriormente e ad approfondire la comprensione. I risultati sono pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

La mancanza di controllo delle variabili che determinano la risposta di un sistema è generalmente vista come una maledizione nella scienza e nella tecnologia. Ma che dire di un leggero pizzico di imperfezione e disordine? Le imperfezioni e le irregolarità sono inevitabili nella nanoscienza a causa del nostro livello limitato di controllo dei processi di nanofabbricazione. Il disturbo è potenzialmente dannoso per i nanosistemi, ma se ben contenuto, il disordine potrebbe non essere un intruso, dopotutto, portando a nuovi concetti fisici e applicazioni.

Scienziati dell'Università tecnologica di Eindhoven (TU/e) e dell'Istituto olandese per la ricerca sull'energia fondamentale (DIFFER) hanno studiato il ruolo delle imperfezioni e dei disturbi nei nanolaser. Introducendo un leggero grado di disordine, hanno osservato un cambiamento drammatico:il laser non emette più in una direzione specifica, ma in tutte le direzioni.

Lo sviluppo di laser su nanoscala (più piccoli dello spessore di un capello umano) è un campo di ricerca molto attivo. In un normale laser, ogni fotone (particella di luce) viene 'clonato' molte volte in un mezzo che si trova all'interno di una cavità (es. una coppia di specchi tra i quali il fotone si muove avanti e indietro producendo altri fotoni con le stesse caratteristiche). Questo processo è noto come amplificazione della luce per emissione stimolata di radiazioni (LASER). Per ottenere l'emissione laser viene solitamente iniettata una corrente elettrica attraverso il mezzo, oppure è illuminato con luce ad alta energia. L'energia minima necessaria per l'emissione di un laser è chiamata soglia laser.

Un diverso tipo di laser è il cosiddetto laser a polaritone. Funziona in base al principio non di clonare i fotoni ma di rendere i fotoni non identici identici più o meno allo stesso modo delle molecole di vapore acqueo, muovendosi in tutte le direzioni con velocità diverse, si condensano in un'unica goccia. La condensazione dei fotoni dà origine all'emissione intensa e direzionale caratteristica di un laser. Un importante vantaggio dei laser a polariton è che hanno una soglia laser molto più bassa, che li rende ottimi candidati per molte applicazioni.

Però, un grosso problema dei laser a polariton è stato che devono funzionare a temperature molto basse (come la condensazione del vapore che avviene solo quando la temperatura si abbassa) ma utilizzando materiali organici, è possibile ottenere emissione laser a polaritoni anche a temperatura ambiente. I ricercatori di Eindhoven hanno dimostrato lo scorso anno di poter realizzare laser polaritoni su scala nanometrica che funzionano a temperatura ambiente, utilizzando nanoparticelle metalliche al posto degli specchi come nei normali laser.

I ricercatori di TU/e-DIFFER hanno ora scoperto un nuovo tipo di laser a polaritone che consiste in un modello regolare di nanostrisce d'argento ricoperte di polimero PMMA colorato il cui colorante comprende molecole emittenti organiche. Però, le strisce argentate hanno volutamente un certo grado di imperfezione e disordine. L'emissione di questo nanolaser non perfetto è omnidirezionale ed è determinata principalmente dalle proprietà delle molecole organiche. Questo risultato non è previsto nel quadro della condensazione, poiché l'emissione omnidirezionale richiede emissioni da molecole organiche indipendenti invece dell'emissione collettiva tipica della condensazione. La dimostrazione dell'emissione omnidirezionale definisce nuovi confini per lo sviluppo di laser su nanoscala a temperatura ambiente.

I ricercatori pensano che il loro laser possa eventualmente essere applicato in molte aree. Rispetto a un LED, la luce laser omnidirezionale è molto più luminosa e meglio definita. Ecco perché è un buon candidato per l'illuminazione della microscopia, che attualmente utilizza i LED. LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) è un'altra potenziale applicazione. Gli attuali LIDAR utilizzano uno o più laser e una serie di specchi in rapido movimento per coprire ampie aree per l'immagine di oggetti distanti. Un laser omnidirezionale non richiede gli specchi mobili, riducendo così notevolmente la complessità. E anche l'illuminazione generale è un'opzione, dice il ricercatore capo professor Jaime Gomez Rivas. "Ma la ricerca è ancora molto fondamentale. Speriamo che i nostri risultati stimoleranno altri ricercatori a migliorarli riducendo ulteriormente la soglia laser o aumentando la gamma di colori emessi".

Il gruppo di ricerca responsabile di questo lavoro studia l'interazione luce-materia potenziata da strutture risonanti, come nanoparticelle metalliche e superfici strutturate. Un forte accoppiamento luce-materia porta a nuovi fenomeni fondamentali che possono essere sfruttati per adattare le proprietà dei materiali. Il gruppo fa parte del gruppo di capacità Photonics and Semiconductor Nanophysics presso il dipartimento di Fisica Applicata e dell'"Institute for Integrated Photonics" della Eindhoven University of Technology (TU/e), e precedentemente parte dell'Istituto olandese per la ricerca sull'energia fondamentale (DIFFER), dove è stato svolto il lavoro sperimentale in questo articolo.