I laser sono ovunque. I dispositivi che li utilizzano trasmettono informazioni e consentono l'esistenza di comunicazioni a lunga distanza e Internet; aiutano i medici a eseguire interventi chirurgici e gli ingegneri nella produzione di strumenti e tecnologie avanzate; e ogni giorno incontriamo i laser mentre scansioniamo i nostri generi alimentari e guardiamo i DVD. "Nei 60 anni da quando sono stati inventati, i laser hanno trasformato le nostre vite", ha affermato Giulio Cerullo, ricercatore di ottica non lineare al Politecnico di Milano in Italia.

Oggi, con l'aiuto di una nuova ricerca di Cerullo e collaboratori della Columbia University pubblicata su Nature Photonics , i dispositivi che utilizzano i laser sono destinati a diventare molto più piccoli.

Lavorando nel laboratorio dell'ingegnere James Schuck alla Columbia, Ph.D. la studentessa Xinyi Xu e la postdoc Chiara Trovatello hanno studiato un materiale 2D chiamato disolfuro di molibdeno (MoS₂ ). Hanno caratterizzato l'efficienza dei dispositivi costruiti da stack di MoS₂ meno di un micron di spessore, 100 volte più sottile di un capello umano, converte le frequenze luminose alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni per produrre colori diversi.

Questa nuova ricerca è un primo passo verso la sostituzione dei materiali standard utilizzati negli odierni laser sintonizzabili, che sono misurati in millimetri e centimetri, ha affermato Trovatello, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. con Cerullo a Milano. "L'ottica non lineare è attualmente un mondo macroscopico, ma vogliamo renderlo microscopico", ha affermato.

I laser emettono un tipo speciale di luce coerente, il che significa che tutti i fotoni nel raggio condividono la stessa frequenza e quindi il colore. I laser funzionano solo a frequenze specifiche, ma spesso i dispositivi devono essere in grado di distribuire diversi colori di luce laser. Ad esempio, un puntatore laser verde viene effettivamente prodotto da un laser a infrarossi che viene convertito in un colore visibile da un materiale macroscopico. I ricercatori utilizzano tecniche ottiche non lineari per cambiare il colore della luce laser, ma i materiali usati convenzionalmente devono essere relativamente spessi affinché la conversione del colore avvenga in modo efficiente.

MoS₂ è uno degli esempi più studiati di una classe emergente di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione, che possono essere sbucciati in strati atomicamente sottili. Singoli strati di MoS₂ possono convertire le frequenze luminose in modo efficiente, ma in realtà sono troppo sottili per essere utilizzate per costruire dispositivi. Cristalli più grandi di MoS_2, nel frattempo, tendono ad essere più stabili in una forma che non converte il colore. Per fabbricare i cristalli necessari, noti come 3R-MoS₂ , il team ha lavorato con il fornitore commerciale di materiali 2D HQ Graphene.

Con 3R-MoS₂ in mano, Xu ha iniziato a staccare campioni di spessore variabile per testare l'efficienza con cui convertivano la frequenza della luce. I risultati sono stati subito spettacolari. "Raramente nella scienza inizi un progetto che finisce per funzionare meglio di quanto ti aspetti, di solito è il contrario. Questo è stato un caso raro e magico", ha osservato Schuck. Di solito sono necessari sensori speciali per registrare la luce prodotta da un campione e ci vuole del tempo per farlo, ha spiegato Xu. "Con 3R-MoS₂ , abbiamo potuto vedere l'enorme miglioramento quasi immediatamente", ha affermato. In particolare, il team ha registrato queste conversioni alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, una caratteristica chiave per potenziali applicazioni di comunicazione ottica, come la fornitura di servizi Internet e televisivi.

In un fortunato incidente durante una scansione, Xu si è concentrato su un bordo casuale di un cristallo e ha visto frange che suggerivano la presenza di modalità guida d'onda all'interno del materiale. Le modalità di guida d'onda mantengono diversi fotoni di colore, che altrimenti si muovono a velocità diverse attraverso il cristallo, in sincronia e possono essere eventualmente utilizzati per generare i cosiddetti fotoni entangled, un componente chiave delle applicazioni di ottica quantistica. Il team ha consegnato i propri dispositivi al laboratorio del fisico Dmitri Basov, dove il suo post-dottorato Fabian Mooshammer ha confermato la loro intuizione.

Attualmente, il cristallo più popolare per la conversione guidata dall'onda e la generazione di fotoni entangled è il niobato di litio, un materiale duro e rigido che deve essere abbastanza spesso per ottenere utili efficienze di conversione. 3R-MoS₂ è ugualmente efficiente ma 100 volte più piccolo e sufficientemente flessibile da poter essere combinato con piattaforme fotoniche di silicio per creare circuiti ottici su chip, seguendo la traiettoria di un'elettronica sempre più piccola.

Con questo risultato proof-of-concept, il collo di bottiglia verso le applicazioni reali è la produzione su larga scala di 3R-MoS₂ e strutturazione ad alto rendimento dei dispositivi. Lì, dice il team, l'industria dovrà prendere il sopravvento. Con questo lavoro, sperano di aver dimostrato la promessa dei materiali 2D.

"Lavoro sull'ottica non lineare da più di trent'anni. La ricerca è il più delle volte incrementale, basandosi lentamente su ciò che è venuto prima. È raro che si faccia qualcosa di completamente nuovo con un grande potenziale", ha affermato Cerullo. "Ho la sensazione che questo nuovo materiale possa cambiare il gioco". + Esplora ulteriormente

Questa "nanocavità" può migliorare i pannelli solari ultrasottili, le videocamere e altro ancora