Schema di una cresta laser nel laser a cascata quantica THz raffreddato termoelettricamente. Credito:gruppo Faist, ETH Zurigo
La radiazione Terahertz (THz) è un po' come uno scrigno del tesoro che resiste ad essere aperto completamente. Risiedendo nello spettro elettromagnetico tra le regioni dell'infrarosso e delle microonde, La radiazione THz combina una gamma di proprietà ideali per le applicazioni. Fornisce una finestra per informazioni spettroscopiche uniche su molecole e solidi, può penetrare materiali non conduttori come tessuti e tessuti biologici, e lo fa senza ionizzare – e quindi danneggiare – l'oggetto, o soggetto, in fase di studio. Questo apre interessanti prospettive per l'imaging non invasivo e il controllo di qualità non distruttivo, tra le altre applicazioni. Ma mentre non mancano le idee per potenziali usi, la loro implementazione è ostacolata dalla mancanza di tecnologie pratiche per generare e rilevare le radiazioni THz.
Da qui l'emozione come Lorenzo Bosco, Martin Franckié e colleghi del gruppo di Jérôme Faist presso l'Institute for Quantum Electronics dell'ETH di Zurigo hanno riportato la realizzazione di un laser a cascata quantistica THz che opera a una temperatura di 210 K (-63 °C). Questa è la temperatura operativa più alta raggiunta finora per questo tipo di dispositivo. Ma ancora più importante, questa è la prima volta che viene dimostrato il funzionamento di un tale dispositivo in un regime di temperatura in cui non sono necessari refrigeranti criogenici. Anziché, Bosco et al. usato un refrigeratore termoelettrico, che è molto più compatto, più economico e più facile da mantenere rispetto alle apparecchiature criogeniche. Con questo anticipo, hanno rimosso i principali ostacoli lungo il percorso verso varie applicazioni pratiche.
Una cascata verso le applicazioni
I laser a cascata quantica (QCL) sono stati a lungo stabiliti come un concetto naturale per i dispositivi THz. Come molti laser ampiamente utilizzati come sorgenti di luce nella regione di frequenza dal visibile all'infrarosso, I QCL sono basati su materiali semiconduttori. Ma rispetto ai tipici laser a semiconduttore utilizzati, ad esempio, in lettori di codici a barre o puntatori laser, I QCL operano secondo un concetto fondamentalmente diverso per ottenere l'emissione di luce. In breve, sono costruiti attorno a pile ripetute di strutture a semiconduttore progettate con precisione (vedere la figura, pannello c), progettati in modo tale che in essi avvengano transizioni elettroniche adeguate (pannello d).
I QCL sono stati proposti nel 1971, ma furono dimostrati per la prima volta solo nel 1994, di Faist e colleghi, poi lavora presso i Bell Laboratories (USA). L'approccio ha dimostrato il suo valore in una vasta gamma di esperimenti, sia fondamentale che applicato, principalmente nella regione dell'infrarosso. Lo sviluppo di QCL per l'emissione di THz ha fatto progressi sostanziali, pure, a partire dal 2001. L'uso diffuso è stato però ostacolato dalla necessità di refrigeranti criogenici, tipicamente elio liquido, che aggiunge complessità e costi sostanziali, e rende i dispositivi più grandi e meno mobili. I progressi verso il funzionamento dei THz QCL a temperature più elevate sono rimasti sostanzialmente bloccati al punto sette anni fa, quando è stato raggiunto il funzionamento di dispositivi a circa 200 K (-73 °C).
a) La scatola laser raffreddata termoelettricamente con il laser montato sopra un elemento Peltier (quadrato bianco), consentendo il funzionamento tra 195 K e 210,5 K con il laser che emette verticalmente attraverso la finestra nel coperchio superiore. b) Il chip laser montato nella scatola del laser, contattato con sottili fili d'oro legati sopra diverse creste laser. c) Schema di una cresta laser; le linee orizzontali mostrano la struttura a pozzo quantico formata da semiconduttori a strati. La cresta (larga 150 micrometri) è racchiusa tra sottili strati di rame. d) Bordo della banda di conduzione (linee bianche) inclinato dalla polarizzazione dell'operazione applicata, con la densità elettronica risolta in energia mostrata a colori. La polarizzazione elettrica guida gli elettroni attraverso le transizioni non radiative indicate dalla freccia tratteggiata. Questo pompa lo stato nel pozzo sottile, che diventa più popolato dello stato nel più ampio pozzo indicato dalla freccia verde, consentendo l'emissione stimolata netta di fotoni terahertz. Credito:gruppo Faist, ETH Zurigo
Barriera superata
Raggiungere i 200 K è stata un'impresa impressionante. quella temperatura, però, è appena al di sotto del limite in cui le tecniche criogeniche potrebbero essere sostituite con il raffreddamento termoelettrico. Il fatto che la temperatura record non si sia spostata dal 2012 significa anche che una sorta di "barriera psicologica" ha iniziato a salire:molti nel campo hanno iniziato ad accettare che i QCL THz avrebbero sempre dovuto funzionare insieme a un refrigeratore criogenico.
Il team dell'ETH ha ora abbattuto quella barriera. Scrivendo in Lettere di fisica applicata , presentano un THz QCL raffreddato termoelettricamente, operando a temperature fino a 210°K. Inoltre, la luce laser emessa era abbastanza forte da poter essere misurata con un rilevatore di temperatura ambiente. Ciò significa che l'intera configurazione ha funzionato senza raffreddamento criogenico, rafforzare ulteriormente il potenziale dell'approccio per le applicazioni pratiche.
Bosco, Franckié ei suoi collaboratori sono riusciti a rimuovere la "barriera di raffreddamento" grazie a due risultati correlati. Primo, hanno usato nella progettazione dei loro stack QCL la struttura di unità più semplice possibile, basato su due cosiddetti pozzi quantistici per periodo (si veda la figura, pannello d). Questo approccio è noto per essere un percorso verso temperature di funzionamento più elevate, ma allo stesso tempo questo progetto a due pozzetti è anche estremamente sensibile ai più piccoli cambiamenti nella geometria delle strutture dei semiconduttori. L'ottimizzazione delle prestazioni rispetto a un parametro può portare a un degrado rispetto a un altro. Poiché l'ottimizzazione sperimentale sistematica non è un'opzione praticabile, dovevano fare affidamento sulla modellazione numerica.
Questa è la seconda area in cui il gruppo ha compiuto progressi sostanziali. In lavori recenti, hanno stabilito che possono simulare con precisione dispositivi QCL sperimentali complessi, utilizzando un approccio noto come modello di funzione di Green del non equilibrio. I calcoli devono essere eseguiti su un potente cluster di computer, ma sono abbastanza efficienti da poter essere utilizzati per cercare sistematicamente i progetti ottimali. La capacità del gruppo di prevedere con precisione le proprietà dei dispositivi e di fabbricare dispositivi secondo precise specifiche ha fornito loro gli strumenti per realizzare una serie di laser che funzionano costantemente a temperature che potrebbero essere raggiunte con il raffreddamento termoelettrico (vedi figura, pannelli a e b). E l'approccio non è affatto esaurito. Idee per alzare ulteriormente la temperatura di esercizio esistono nel gruppo Faist, e i risultati preliminari sembrano promettenti.
Colmare il divario THz
La prima dimostrazione di un laser a cascata quantica terahertz funzionante senza raffreddamento criogenico costituisce un passo importante verso il riempimento del "gap THz", che esiste da tempo tra le tecnologie mature per le microonde e le radiazioni infrarosse. Senza parti in movimento o liquidi in circolazione coinvolti, il tipo di QCL THz raffreddato termoelettricamente ora introdotto dai fisici dell'ETH può essere più facilmente applicato e mantenuto al di fuori dei confini dei laboratori specializzati, sollevando ulteriormente il coperchio dello "scrigno del tesoro THZ".
