Il laser a livello di Landau è un concetto entusiasmante per una sorgente di radiazioni insolita. Potrebbe generare in modo efficiente le cosiddette onde terahertz, che può essere utilizzato per penetrare materiali, con possibili applicazioni nella trasmissione dei dati. Finora, però, quasi tutti i tentativi di realizzare un tale laser sono falliti. Un team internazionale di ricercatori ha ora compiuto un passo importante nella giusta direzione:nella rivista Fotonica della natura , descrivono un materiale che genera onde terahertz semplicemente applicando una corrente elettrica. I fisici del centro di ricerca tedesco Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno svolto un ruolo significativo in questo progetto.

come la luce, Le onde terahertz sono radiazioni elettromagnetiche in un intervallo di frequenza compreso tra le microonde e le radiazioni infrarosse. Le loro proprietà sono di grande interesse tecnologico e scientifico, in quanto consentono ai ricercatori fondamentali di studiare le oscillazioni dei reticoli cristallini o la propagazione delle onde di spin.

"Le onde terahertz sono interessanti per le applicazioni tecniche perché possono penetrare numerose sostanze altrimenti opache, come abbigliamento, plastica e carta, " Spiega il ricercatore HZDR Stephan Winnerl. Gli scanner Terahertz sono già utilizzati oggi per i controlli di sicurezza aeroportuali, rilevare se i passeggeri nascondono oggetti pericolosi sotto i vestiti, senza dover ricorrere a raggi X dannosi.

Poiché le onde terahertz hanno una frequenza più alta delle onde radio che usiamo oggi, potrebbero anche essere sfruttati per la trasmissione dei dati un giorno. Tecnologia WLAN attuale, ad esempio, opera a frequenze da due a cinque gigahertz. Poiché le frequenze terahertz sono circa 1000 volte superiori, potrebbero trasmettere immagini, video e musica molto più velocemente, anche se su distanze più brevi. Però, la tecnologia non è ancora completamente sviluppata. "Ci sono stati molti progressi negli ultimi anni, "Riferisce Winnerl. "Ma generare le onde è ancora una sfida:gli esperti parlano di un vero e proprio divario terahertz". Un problema particolare è la mancanza di un laser terahertz compatto, potente, e sintonizzabile allo stesso tempo.

Frequenze flessibili

La luce laser è generata dagli elettroni nel materiale laser. Secondo l'effetto quantistico, gli elettroni energizzati emettono luce, ma non possono assorbire una quantità casuale di energia, solo alcune porzioni. Di conseguenza, la luce viene emessa anche in porzioni, in un colore specifico e come raggio focalizzato. Da un po 'di tempo, gli esperti hanno messo gli occhi su un concetto specifico per un laser terahertz, un laser di livello Landau. In particolare, può utilizzare un campo magnetico per regolare in modo flessibile i livelli di energia degli elettroni. Questi livelli, a sua volta, determinare le frequenze emesse dagli elettroni, che rende il laser sintonizzabile, un enorme vantaggio per molte applicazioni scientifiche e tecniche.

C'è solo un problema:un tale laser non esiste ancora. "Finora, il problema è che gli elettroni passano la loro energia ad altri elettroni invece di emetterli come onde luminose desiderate, " spiega Winnerl. Gli esperti chiamano questo processo fisico l'effetto Auger. Con loro disappunto, questo fenomeno si verifica anche nel grafene, un materiale che ritenevano particolarmente promettente per un laser di livello Landau. Questa forma bidimensionale di carbonio ha mostrato una forte dispersione Auger negli esperimenti HZDR.

Una questione di materiale

Il team di ricerca ha quindi provato un altro materiale:una lega di metallo pesante di mercurio, cadmio e tellurio (HgCdTe) che viene utilizzato per termocamere ad alta sensibilità, tra l'altro. La particolarità di questo materiale è che il suo mercurio, il contenuto di cadmio e tellurio può essere scelto in modo molto preciso, che permette di mettere a punto una certa proprietà che gli esperti chiamano band gap.

Di conseguenza, il materiale ha mostrato proprietà simili al grafene, ma senza il problema di una forte dispersione Auger. "Ci sono sottili differenze con il grafene che evitano questo effetto di dispersione, " dice Stephan Winnerl. "In parole povere, gli elettroni non riescono a trovare nessun altro elettrone che possa assorbire la giusta quantità di energia." Pertanto, non hanno altra scelta che liberarsi della loro energia nella forma che gli scienziati vogliono:radiazione terahertz.

Il progetto è stato uno sforzo di squadra internazionale:i partner russi avevano preparato i campioni di HgCdTe, che il gruppo capofila del progetto a Grenoble ha poi analizzato. Una delle indagini chiave si è svolta a Dresda-Rossendorf:utilizzando il laser a elettroni liberi FELBE, gli esperti hanno sparato forti impulsi terahertz al campione e sono stati in grado di osservare il comportamento degli elettroni in risoluzione temporale. Il risultato:"Abbiamo notato che l'effetto Auger che avevamo osservato nel grafene era effettivamente scomparso, " dice Winner.

LED per Terahertz

Infine, un gruppo di lavoro a Montpellier ha osservato che il composto di HgCdTe emette effettivamente onde terahertz quando viene applicata corrente elettrica. Variando un campo magnetico aggiuntivo di soli 200 millitesla circa, gli esperti sono stati in grado di variare la frequenza delle onde emesse in un intervallo da uno a due terahertz, una sorgente di radiazioni sintonizzabile. "Non è ancora del tutto un laser, ma piuttosto come un LED terahertz, " Winnerl descrive. "Ma dovremmo essere in grado di estendere il concetto a un laser, anche se ci vorrà un po' di impegno." Ed è esattamente ciò che i partner francesi vogliono affrontare in futuro.

C'è un fattore limitante, tuttavia:fino ad ora, il principio ha funzionato solo se raffreddato a temperature molto basse, appena sopra lo zero assoluto. "Questo è certamente un ostacolo per le applicazioni quotidiane, " Winnerl riassume. "Ma per l'uso nella ricerca e in alcuni sistemi ad alta tecnologia, dovremmo essere in grado di farlo funzionare con questo tipo di raffreddamento".