Un team di ricerca internazionale dalla Germania, Italia, e il Regno Unito ha sviluppato un componente fotonico chiave per la gamma spettrale dei terahertz. Mescolando le risonanze elettroniche nelle nanostrutture di semiconduttori con il campo di fotoni dei microrisonatori, hanno progettato uno specchio macchiato che sbianca più facilmente che mai e potrebbe rendere i laser terahertz ultraveloci. I risultati sono pubblicati nell'attuale numero di Comunicazioni sulla natura .

La radiazione Terahertz, spesso soprannominata raggi T, segna una delle ultime frontiere della fotonica. Situato nello spazio spettrale tra l'elettronica a microonde e l'ottica a infrarossi, I raggi a T offrono un enorme potenziale applicativo, ma sono stati costosi da generare. Le prime applicazioni terahertz ampiamente disponibili vanno dai body scanner negli aeroporti e dal rilevamento rapido del gas alla comunicazione ultraveloce. Molte più idee potrebbero arrivare sul mercato se gli impulsi ultracorti potessero essere generati direttamente nei cosiddetti laser a cascata quantica, tipi speciali di azionamento elettrico, laser terahertz compatti. Queste sorgenti funzionano tipicamente in modalità ad onda continua, ma è stato ampiamente previsto che potrebbero trasformarsi in funzionamento a impulsi se un elemento fotonico chiave fosse incorporato nel laser, un cosiddetto assorbitore saturabile.

Un assorbitore saturabile funziona come uno specchio nebbioso che diventa transitoriamente trasparente se la luce incidente diventa troppo intensa. Se tutta la potenza all'interno di un laser si concentrasse in un breve impulso, saturerebbe facilmente l'assorbitore e subirebbe meno perdite di un raggio ad onda continua. Tali elementi sono facilmente disponibili in ottica, considerando che nel dominio dei terahertz sono esistiti solo per radiazioni impraticabili intense, non realizzabile con i laser a cascata quantica. Un consorzio europeo formato dai gruppi di ricerca di Miriam S. Vitiello, Pisa, Edmund Linfield, Londra, e Rupert Huber, Università di Ratisbona, hanno ora unito le forze per sviluppare una nuova classe di assorbitori saturabili operanti a intensità di saturazione molto inferiori.

La loro nuova idea è ispirata da una strategia ben nota nella musica:i risonatori. Da dove trae il suo suono unico un pianoforte Steinway? Il segreto è meno nelle corde che nel corpo risonante. Qui è dove viene definito il suono esatto e la sua risposta dinamica a un tasto forte. "Sostanzialmente trasferiamo questa idea nell'ottica terahertz, "dice Jürgen Raab, autore principale del manoscritto. Il gruppo di Miriam Vitiello ha progettato un assemblaggio microstrutturato di uno specchio d'oro e un reticolo d'oro che funzionano congiuntamente come un corpo risonante per radiazioni terahertz. Queste risonanze possono essere fortemente accoppiate con elettroni che possono saltare tra due stati quantistici definiti da una sequenza atomicamente precisa di nanostrutture semiconduttrici, progettato e cresciuto nel gruppo di Edmund Linfield.

Il perno:il forte accoppiamento tra gli elettroni e la microcavità terahertz si traduce in un'eccitazione che è metà dell'elettrone, fotone da mezzo terahertz. Questa situazione non solo modella il "tono" della risonanza, ma cambia anche radicalmente il modo in cui il sistema reagisce a una "pressione forte dei tasti, " corrispondente a un intenso impulso terahertz. Il gruppo ha messo alla prova il nuovo terahertz Steinway. In una configurazione appositamente progettata a Ratisbona, hanno focalizzato un impulso terahertz ultracorto sull'assorbitore saturabile e hanno sviluppato una telecamera al rallentatore estremo per seguire la sua dinamica di saturazione sulla scala temporale dei femtosecondi, la milionesima parte di un miliardesimo di secondo.

Il risultato sorprendente:l'assorbitore non solo era molto più facile da saturare rispetto alla sola transizione elettronica, di circa un ordine di grandezza. Inoltre satura più velocemente di un singolo ciclo di oscillazione dell'impulso terahertz, e il "tono" del risonatore si trasforma così bene durante il processo di saturazione che essenzialmente non rimane alcun assorbimento mentre viene applicato l'intenso impulso THz. Questi sono i migliori geni possibili degli assorbitori saturabili. Miriam Vitiello è convinta:"Ora abbiamo tutti i componenti a portata di mano per costruire laser a cascata quantica terahertz ultraveloci con assorbitori saturabili".

Una tale sorgente potrebbe ampliare notevolmente la portata della fotonica terahertz. Superando la frequenza dei computer moderni di un fattore sbalorditivo di 1000, impulsi terahertz ultracorti potrebbero costituire la spina dorsale di rivoluzionari collegamenti di telecomunicazione di prossima generazione. Laser a cascata quantica compatti, emettendo raggi T ultracorti, può consentire anche di potenziare l'analisi chimica e consentire un'enorme varietà di applicazioni in diagnostica e medicina. Con i risultati attuali, un traguardo importante verso questi audaci traguardi è stato raggiunto.