Un team guidato da fisici dell'Università dello Utah ha scoperto come risolvere un grave problema che si verifica nei laser realizzati con un nuovo tipo di materiale chiamato punti quantici. Il fenomeno mai visto prima sarà importante per un campo emergente della ricerca sulla fotonica, compreso un giorno che realizza micro-chip che codificano le informazioni usando la luce invece degli elettroni.

Lo studio pubblicato il 4 febbraio 2019, nel diario Comunicazioni sulla natura .

I laser sono dispositivi che amplificano la luce, spesso producendo un singolo, fascio di luce stretto. La forza del raggio dipende dal materiale con cui è stato costruito il laser; la luce passa attraverso il materiale, che produce un fascio di onde luminose tutte con lunghezze d'onda simili, concentrare molta energia in una piccola area. Questa proprietà del materiale per poter amplificare l'energia del raggio è chiamata "guadagno".

Molti scienziati stanno costruendo laser con punti quantici. I punti quantici sono minuscoli cristalli di materiali semiconduttori cresciuti fino a dimensioni di soli 100 atomi di diametro. La dimensione dei cristalli determina la lunghezza d'onda del raggio di luce, dalla luce blu alla luce rossa e persino nell'infrarosso.

Le persone sono interessate ai laser a punti quantici perché possono regolare le proprietà semplicemente facendo crescere i cristalli in diverse dimensioni utilizzando diversi materiali semiconduttori e scegliendo diverse forme e dimensioni dei laser. Il rovescio della medaglia è che i laser a punti quantici contengono spesso minuscoli difetti che dividono la luce in più lunghezze d'onda, che distribuisce l'energia del raggio e lo rende meno potente. Idealmente, vuoi che il laser concentri la potenza in una lunghezza d'onda.

Il nuovo studio ha cercato di correggere questo difetto. Primo, i collaboratori del Georgia Institute of Technology hanno realizzato 50 microscopici laser a punti quantici a forma di disco con seleniuro di cadmio. Il team U ha quindi dimostrato che quasi tutti i singoli laser avevano difetti che dividono le lunghezze d'onda dei raggi.

I ricercatori hanno quindi accoppiato due laser insieme per correggere la divisione della lunghezza d'onda. Hanno messo un laser a pieno guadagno, che descrive la massima quantità di energia possibile. Per ottenere il pieno guadagno, gli scienziati hanno dato una luce verde, chiamato la luce "pompa", sul primo laser. Il materiale del punto quantico ha assorbito la luce e ha riemesso un raggio più potente di luce rossa. Più forte era la luce verde che brillavano sul laser, maggiore è il guadagno di energia. Quando il secondo laser non ebbe guadagno, la differenza tra i due laser ha impedito qualsiasi interazione, e la scissione è ancora avvenuta. Però, quando il team ha puntato una luce verde sul secondo laser, il suo guadagno è aumentato, chiudendo la differenza di guadagno tra i due laser. Una volta che il guadagno nei due laser è diventato simile, l'interazione tra i due laser ha corretto la scissione e ha focalizzato l'energia in una singola lunghezza d'onda. È la prima volta che qualcuno osserva questo fenomeno.

I risultati hanno implicazioni per un nuovo campo, chiamata ottica e ricerca fotonica. Negli ultimi 30 anni, i ricercatori hanno sperimentato l'uso della luce per trasportare informazioni, piuttosto che gli elettroni utilizzati nell'elettronica tradizionale. Per esempio, piuttosto che mettere molti elettroni su un microchip per far funzionare un computer, alcuni immaginano invece di usare la luce. I laser sarebbero una parte importante di ciò e la correzione della suddivisione della lunghezza d'onda può fornire un vantaggio significativo nel controllo delle informazioni attraverso la luce. Potrebbe anche essere un grande vantaggio utilizzare materiali come i punti quantici in questo campo.

"Non è impossibile che qualcuno possa realizzare un laser privo di difetti con punti quantici, ma sarebbe costoso e richiederebbe molto tempo. In confronto, l'accoppiamento è più rapido, più flessibile, modo conveniente per correggere il problema, " disse Evan Lafalce, ricercatore assistente professore di fisica e astronomia presso l'U e autore principale dello studio. "Questo è un trucco per non dover creare laser a punti quantici perfetti".