I laser sono ampiamente utilizzati negli elettrodomestici, medicinale, industria, telecomunicazioni e altro ancora. Diversi anni fa, gli scienziati hanno introdotto i nanolaser. Il loro design è simile a quello dei laser a semiconduttore convenzionali basati su eterostrutture di uso comune da diversi decenni. La differenza è che le cavità dei nanolaser sono estremamente piccole, nell'ordine della lunghezza d'onda della luce che emettono. Poiché generano principalmente luce visibile e infrarossa, la dimensione è dell'ordine del milionesimo di metro.

I nanolaser hanno proprietà uniche notevolmente diverse da quelle dei laser macroscopici. Però, è quasi impossibile determinare a quale corrente la radiazione in uscita dal nanolaser diventa coerente; inoltre, per applicazioni pratiche, è importante distinguere tra i due regimi del nanolaser:la vera azione laser con un'uscita coerente ad alte correnti, e il regime tipo LED con uscita incoerente a basse correnti. I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno sviluppato un metodo per determinare in quali circostanze i nanolaser si qualificano come veri laser. La ricerca è stata pubblicata su Ottica Express .

Nel futuro prossimo, i nanolaser saranno incorporati in circuiti ottici integrati, dove sono necessari per una nuova generazione di interconnessioni ad alta velocità basate su guide d'onda fotoniche, che aumenterebbe le prestazioni di CPU e GPU di diversi ordini di grandezza. In un modo simile, l'avvento di internet in fibra ottica ha aumentato le velocità di connessione, aumentando anche l'efficienza energetica.

E questa non è di gran lunga l'unica possibile applicazione dei nanolaser. I ricercatori stanno già sviluppando sensori chimici e biologici, solo milionesimi di metro di larghezza, e sensori di stress meccanici piccoli come diversi miliardesimi di metro. I nanolaser dovrebbero essere utilizzati anche per controllare l'attività dei neuroni negli organismi viventi, compresi gli umani.

Affinché una sorgente di radiazioni si qualifichi come laser, deve soddisfare una serie di requisiti, il principale è che deve emettere radiazioni coerenti. Una proprietà distintiva strettamente associata alla coerenza è la presenza di una cosiddetta soglia laser. A correnti della pompa inferiori a questo valore di soglia, la radiazione in uscita è per lo più spontanea e non differisce nelle sue proprietà dall'uscita dei convenzionali diodi emettitori di luce (LED). Ma una volta raggiunta la corrente di soglia, la radiazione diventa coerente. A questo punto, lo spettro di emissione di un laser macroscopico convenzionale si restringe e la sua potenza di uscita aumenta. Quest'ultima proprietà fornisce un modo semplice per determinare la soglia laser, vale a dire, studiando come la potenza di uscita varia con la corrente della pompa (figura 1A).

Molti nanolaser si comportano come le loro controparti macroscopiche convenzionali, esibendo una corrente di soglia. Però, per alcuni dispositivi, una soglia laser non può essere individuata analizzando la potenza in uscita rispetto alla curva della corrente della pompa, poiché non ha particolari caratteristiche ed è solo una linea retta sulla scala logaritmica (linea rossa in figura 1B). Tali nanolaser sono noti come "senza soglia". Questo pone la domanda:a quale corrente la loro radiazione diventa coerente, o simile al laser?

Il modo più ovvio per rispondere a questa domanda è misurare la coerenza. Però, a differenza dello spettro di emissione e della potenza di uscita, la coerenza è molto difficile da misurare nel caso dei nanolaser, poiché ciò richiede apparecchiature in grado di registrare fluttuazioni di intensità a trilionesimi di secondo, che è la scala temporale su cui si verificano i processi interni in un nanolaser.

Andrey Vyshnevyy e Dmitry Fedyanin dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno trovato un modo per aggirare le misurazioni della coerenza diretta tecnicamente impegnative. Hanno sviluppato un metodo che utilizza i principali parametri laser per quantificare la coerenza della radiazione nanolaser. I ricercatori affermano che la loro tecnica consente di determinare la corrente di soglia per qualsiasi nanolaser (figura 1B). Hanno scoperto che anche un nanolaser "senza soglia" ha in effetti una corrente di soglia distinta che separa i regimi LED e laser. La radiazione emessa è incoerente al di sotto di questa soglia di corrente e coerente al di sopra di essa.

Sorprendentemente, la corrente di soglia di un nanolaser si è rivelata non correlata in alcun modo alle caratteristiche della caratteristica di uscita o al restringimento dello spettro di emissione, che sono segni rivelatori della soglia laser nei laser macroscopici. La figura 1B mostra chiaramente che anche se si osserva un nodo ben pronunciato nella caratteristica di uscita, il passaggio al regime laser avviene a correnti più elevate. Questo è ciò che gli scienziati laser non potevano aspettarsi dai nanolaser.

"I nostri calcoli mostrano che nella maggior parte dei documenti sui nanolaser, il regime laser non è stato raggiunto. Nonostante le ricerche eseguano misurazioni al di sopra del nodo nella caratteristica di uscita, l'emissione del nanolaser era incoerente, poiché la soglia laser effettiva era ordini di grandezza al di sopra del valore di piegatura, "Dmitry Fedyanin dice. "Molto spesso, era semplicemente impossibile ottenere un output coerente a causa dell'autoriscaldamento del nanolaser, " Aggiunge Andrey Vyshnevyy.

Perciò, è molto importante distinguere la soglia laser illusoria da quella reale. Sebbene sia le misurazioni della coerenza che i calcoli siano difficili, Vyshnevyy e Fedyanin hanno ideato una formula semplice che può essere applicata a qualsiasi nanolaser. Usando questa formula e la caratteristica di uscita, Gli ingegneri di nanolaser possono ora misurare rapidamente la corrente di soglia delle strutture che creano (vedi figura 2).

I risultati riportati da Vyshnevyy e Fedyanin consentono di prevedere in anticipo il punto in cui la radiazione di un nanolaser, indipendentemente dal suo design, diventa coerente. Ciò consentirà agli ingegneri di sviluppare in modo deterministico laser su nanoscala con proprietà predeterminate e coerenza garantita.