Gli scienziati del DTU hanno dimostrato che un laser Fano, un nuovo tipo di laser microscopico, presenta vantaggi fondamentali rispetto ad altri tipi di laser. La scoperta può essere importante per molte applicazioni future, come la fotonica integrata, interfacciamento di elettronica e fotonica, e sensori ottici.

Una frazione crescente del consumo energetico globale viene utilizzata per la tecnologia dell'informazione, e la fotonica che opera a velocità di trasmissione dati molto elevate con un'energia per bit estremamente bassa è stata identificata come una tecnologia chiave per consentire una crescita sostenibile della domanda di capacità.

Però, i progetti laser esistenti non possono essere semplicemente ridimensionati per raggiungere gli obiettivi per i dispositivi integrati di prossima generazione, e sono quindi necessarie scoperte fondamentali nel campo della nanofotonica.

Supportato da un centro di eccellenza Villum, NATEC, un Centro di Eccellenza DNRF di nuova costituzione, Nanofotone, e una sovvenzione avanzata ERC, gli scienziati di DTU stanno esplorando la fisica e le applicazioni di una nuova classe di dispositivi fotonici utilizzando un fenomeno noto come interferenza di Fano. Questo effetto fisico offre l'opportunità di realizzare nanolaser ultraveloci e a basso rumore (chiamati laser Fano), transistor ottici, e dispositivi quantistici che lavorano a livello di un singolo fotone.

Ora, gli scienziati DTU hanno dimostrato che la coerenza di un laser Fano può essere notevolmente migliorata rispetto ai laser microscopici esistenti. Il risultato è stato pubblicato su Fotonica della natura .

"La coerenza di un laser è una misura della purezza del colore della luce generata dal laser. Una maggiore coerenza è essenziale per numerose applicazioni, come comunicazioni su chip, circuiti integrati fotonici programmabili, rilevamento, tecnologia quantistica, e calcolo neuromorfico. Per esempio, sistemi di comunicazione ottica coerenti trasmettono e rilevano informazioni utilizzando la fase degli impulsi luminosi, portando a una straordinaria capacità informativa", afferma Jesper Mørk, Professore presso DTU Fotonik e Center Leader di NATEC e NanoPhoton.

Jesper Mørk spiega inoltre:che "il laser di Fano, con una dimensione di pochi micron (un micron è un millesimo di millimetro), opera in uno stato ottico insolito, un cosiddetto stato legato nel continuum, indotto dalla risonanza di Fano. L'esistenza di un tale stato è stata identificata per la prima volta da alcuni dei primi pionieri della meccanica quantistica, ma ha eluso l'osservazione sperimentale per molti anni. Nella carta, mostriamo che le caratteristiche di un tale stato legato nel continuum possono essere sfruttate per migliorare la coerenza del laser".

"L'osservazione è alquanto sorprendente, " aggiunge l'autore principale e ricercatore senior presso DTU Fotonik, Yi Yu, "poiché uno stato legato nel continuum è molto meno robusto degli stati comunemente usati nei laser. Mostriamo nel nostro articolo, sia sperimentalmente che teoricamente, che le peculiarità di questo nuovo stato possano essere sfruttate a vantaggio".

Yi Yu continua che "per raggiungere l'obiettivo che abbiamo sviluppato, in collaborazione con il gruppo del professor Kresten Yvind presso DTU Fotonik, una piattaforma nanotecnologica avanzata, chiamata Buried Heterostructure Technology. Questa tecnologia permette di realizzare piccoli, regioni nanometriche di materiale attivo, dove avviene la generazione della luce, mentre la restante struttura laser è passiva. È la fisica della risonanza di Fano combinata con questa tecnologia che alla fine consente la soppressione del rumore quantistico, portando alla massima coerenza misurata per i laser microscopici."

Questa nuova scoperta potrebbe portare all'uso di laser Fano in circuiti elettronici-fotonici integrati, in particolare nelle nuove generazioni di computer ad alta velocità. Nei computer di oggi, i segnali elettrici vengono utilizzati per operazioni logiche e per la trasmissione di dati tra diverse parti del computer. Però, a causa di perdite ohmiche, molta energia viene sprecata nella trasmissione. Il ruolo primario del laser Fano sarà quello di convertire i dati elettrici in segnali luminosi, che poi vengono trasmessi all'interno del computer quasi senza perdita – proprio come avviene oggi in fibra ottica su internet. La prospettiva a lungo termine è ottenere chip per computer molto più veloci con un consumo energetico minimo.