Laser. Sono usati per tutto, dall'intrattenere i nostri gatti alla crittografia delle nostre comunicazioni. Sfortunatamente, i laser possono essere ad alta intensità energetica e molti sono realizzati con materiali tossici come l'arsenico e il gallio. Per rendere i laser più sostenibili, devono essere scoperti nuovi materiali e meccanismi laser.

La professoressa Andrea Armani e il suo team presso la USC Viterbi School of Engineering hanno scoperto un nuovo fenomeno e lo hanno utilizzato per realizzare un laser con un'efficienza superiore al 40%, quasi 10 volte superiore rispetto ad altri laser simili. Il laser stesso è costituito da un anello di vetro su un wafer di silicio con solo un rivestimento monostrato di molecole silossaniche ancorate alla superficie. Così, ha un consumo energetico migliorato ed è fabbricato con materiali più sostenibili rispetto ai laser precedenti.

Il lavoro di Armani e dei suoi coautori Xiaoqin Shen e Hyungwoo Choi del dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali della famiglia Mork dell'USC; Dongyu Chen del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della USC Ming Hsieh; e Wei Zhao, dal Dipartimento di Chimica dell'Università dell'Arkansas a Little Rock, è stato pubblicato in Fotonica della natura .

Il laser Raman di superficie si basa su un'estensione dell'effetto Raman, che descrive come l'interazione della luce con un materiale può indurre vibrazioni molecolari che determinano l'emissione di luce. Una caratteristica unica di questo tipo di laser è che la lunghezza d'onda emessa non è definita dalle transizioni elettroniche del materiale, ma invece è determinato dalla frequenza vibrazionale del materiale. In altre parole, la luce laser emessa può essere facilmente sintonizzata cambiando la luce incidente. Nei lavori precedenti, i ricercatori hanno realizzato laser Raman sfruttando l'effetto Raman in materiale "sfuso", come fibra ottica e silicio.

I laser Raman hanno una vasta gamma di applicazioni tra cui comunicazioni militari, microscopia e imaging, e in medicina per la terapia di ablazione, una procedura minimamente invasiva per distruggere i tessuti anormali come i tumori.

Armani, Cattedra Ray Irani dell'USC in ingegneria chimica e scienza dei materiali, ha detto di aver capito che una strategia diversa potrebbe fornire laser Raman ancora più performanti da materiali sostenibili come il vetro.

"La sfida era creare un laser in cui tutta la luce incidente sarebbe stata convertita in luce emessa, "Ha detto Armani. "In un normale laser Raman a stato solido, le molecole interagiscono tutte tra loro, riducendo le prestazioni. Per superare questo, avevamo bisogno di sviluppare un sistema in cui queste interazioni fossero ridotte".

Armani ha detto che se i laser Raman convenzionali fossero pensati come le vecchie lampadine inefficienti dal punto di vista energetico con cui molti di noi sono cresciuti, questa nuova tecnologia porterebbe all'equivalente laser delle lampadine a LED ad alta efficienza energetica; un risultato più luminoso che richiede un minore apporto di energia.

Il team interdisciplinare di Armani, composto da chimici, scienziati dei materiali e ingegneri elettrici, si resero presto conto che potevano progettare questo tipo di sistema laser. Combinando chimica di superficie e nanofabbricazione, hanno sviluppato un metodo per formare con precisione un singolo monostrato di molecole su un nanodispositivo.

"Pensa alla molecola come se assomigli a un albero, " disse Armani. "Se ancorate la base della molecola al dispositivo, come una radice su una superficie, il movimento della molecola è limitato. Ora, non può semplicemente vibrare in qualsiasi direzione. Abbiamo scoperto che vincolando il movimento, si aumenta effettivamente l'efficienza del suo movimento, e come risultato, la sua capacità di agire come un laser."

Le molecole sono attaccate alla superficie di un anello di vetro fotonico integrato, che confina una sorgente luminosa iniziale. La luce all'interno dell'anello eccita le molecole vincolate alla superficie, che successivamente emettono la luce laser. In particolare, l'efficienza è effettivamente migliorata di quasi 10 volte, anche se c'è meno materiale.

"Le molecole vincolate alla superficie consentono un nuovo processo, chiamato Raman stimolato in superficie, accadere, "ha detto Xiaoqin Shen, l'autore principale del giornale con Hyungwoo Choi, "Questo nuovo processo di superficie innesca l'aumento dell'efficienza del laser."

Inoltre, proprio come il laser Raman convenzionale, semplicemente cambiando la lunghezza d'onda della luce all'interno dell'anello, la lunghezza d'onda di emissione dalle molecole cambierà. Questa flessibilità è uno dei motivi per cui i laser Raman, e ora i laser Raman stimolati in superficie, sono così popolari in numerosi campi, tra cui difesa, diagnostica, e comunicazioni.

Armani ha affermato che il team è riuscito a legare le molecole alla superficie dell'anello di vetro sfruttando i gruppi di molecole idrossili sulla superficie, entità con la formula OH, che contengono ossigeno legato all'idrogeno, utilizzando un processo chiamato chimica di superficie di silanizzazione. Questa reazione forma un singolo monostrato di singole molecole orientate con precisione.

La scoperta è un progetto di passione per Armani; uno che ha perseguito sin dai suoi giorni di dottorato. alunno.

"Questa è una domanda che volevo esaminare da un po', ma semplicemente non era il momento giusto, il posto giusto e la squadra giusta per essere in grado di rispondere, " lei disse.

Armani ha affermato che la ricerca ha il potenziale per ridurre significativamente la potenza in ingresso necessaria per far funzionare i laser Raman e avere un impatto su numerose altre applicazioni.

"L'effetto Raman è fondamentale, Comportamento scientifico vincitore del premio Nobel originariamente scoperto all'inizio del XX secolo, "Ha detto Armani. "L'idea di contribuire con qualcosa di nuovo a questo ricco campo è molto gratificante".