Rosso, verde, e i laser blu sono diventati abbastanza piccoli ed economici da trovare la loro strada in prodotti che vanno dai lettori DVD BluRay alle penne fantasiose, ma ogni colore è realizzato con diversi materiali semiconduttori e da elaborati processi di crescita dei cristalli. Una nuova tecnologia prototipo dimostra che tutti e tre questi colori provengono da un unico materiale. Ciò potrebbe aprire la porta alla realizzazione di prodotti, come display digitali ad alte prestazioni, che impiegano una varietà di colori laser contemporaneamente.

"Oggi per creare un display laser con colori arbitrari, dal bianco alle sfumature del rosa o dell'ottanio, avresti bisogno che questi tre sistemi di materiali separati si unissero sotto forma di tre laser distinti che in nessun modo la forma o la forma avrebbero nulla in comune, " disse Arto Nurmikko, professore di ingegneria alla Brown University e autore senior di un articolo che descrive l'innovazione nella rivista Nanotecnologia della natura . "Ora inserisci una classe di materiali chiamati punti quantici semiconduttori".

I materiali nei prototipi di laser descritti nel documento sono particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche chiamate punti quantici colloidali o nanocristalli con un nucleo interno di lega di cadmio e selenio e un rivestimento di zinco, cadmio, e lega di zolfo e una colla molecolare organica proprietaria. Chimici presso QD Vision di Lexington, Messa., sintetizzare i nanocristalli utilizzando un processo di chimica umida che consente loro di variare con precisione la dimensione dei nanocristalli variando il tempo di produzione. La dimensione è tutto ciò che deve cambiare per produrre diversi colori di luce laser:i nuclei di 4,2 nanometri producono luce rossa, Quelli da 3,2 nanometri emettono luce verde e quelli da 2,5 nanometri brillano di blu. Diverse dimensioni produrrebbero altri colori lungo lo spettro.

Il rivestimento e la struttura dei nanocristalli sono progressi critici oltre i precedenti tentativi di realizzare laser con punti quantici colloidali, ha detto l'autore principale Cuong Dang, un ricercatore associato e direttore di laboratorio di nanofotonica nel gruppo di Nurmikko alla Brown. A causa delle loro migliori prestazioni quantomeccaniche ed elettriche, Egli ha detto, le piramidi rivestite richiedono 10 volte meno energia pulsata o 1, 000 volte meno potenza per produrre luce laser rispetto ai precedenti tentativi di questa tecnologia.

Smalto quantico

Quando i chimici di QDVision producono una serie di punti quantici colloidali per le specifiche progettate da Brown, Dang e Nurmikko ricevono una fiala di un liquido viscoso che, secondo Nurmikko, assomiglia in qualche modo allo smalto per unghie. Per fare un laser, Dang ricopre un quadrato di vetro - o una varietà di altre forme - con il liquido. Quando il liquido evapora, ciò che resta sul vetro sono diversi solidi densamente impacchettati, strati altamente ordinati dei nanocristalli. Inserendo quel bicchiere tra due specchi appositamente preparati, Dang crea una delle strutture laser più impegnative, chiamato laser a emissione superficiale a cavità verticale. Il team guidato da Brown è stato il primo a realizzare un VCSEL funzionante con punti quantici colloidali.

Il rivestimento esterno dei nanocristalli in lega di zinco, cadmio, lo zolfo e quella colla molecolare è importante perché riduce un requisito di stato elettronico eccitato per il laser e protegge i nanocristalli da una sorta di diafonia che rende difficile produrre luce laser, disse Nurmikko. Ogni lotto di punti quantici colloidali ne ha alcuni difettosi, ma normalmente ne bastano pochi per interferire con l'amplificazione della luce.

Di fronte a un requisito di stato elettronico altamente eccitato e diafonia distruttiva in uno strato densamente imballato, i gruppi precedenti hanno avuto bisogno di pompare i loro punti con molta potenza per spingerli oltre una soglia più alta per la produzione di amplificazione della luce, un elemento fondamentale di qualsiasi laser. Pompandoli intensamente, però, dà luogo ad un altro problema:un eccesso di stati elettronici eccitati chiamati eccitoni. Quando ci sono troppi di questi eccitoni tra i punti quantici, è invece più probabile che l'energia che potrebbe produrre luce venga dispersa sotto forma di calore, principalmente attraverso un fenomeno noto come processo Auger.

La struttura dei nanocristalli e il rivestimento esterno riducono la diafonia distruttiva e abbassano l'energia necessaria per far brillare i punti quantici. Ciò riduce l'energia necessaria per pompare il laser a punti quantici e riduce significativamente la probabilità di superare il livello di eccitoni al quale il processo Auger drena energia. Inoltre, un vantaggio della struttura del nuovo approccio è che i punti possono agire più rapidamente, rilasciare la luce prima che il processo Auger possa iniziare, anche nei rari casi in cui si avvia ancora.

"Siamo riusciti a dimostrare che è possibile creare non solo luce, ma luce laser, " ha detto Nurmikko. "In linea di principio, ora abbiamo alcuni vantaggi:usare la stessa chimica per tutti i colori, produrre laser in modo molto economico, relativamente parlando, e la capacità di applicarli a tutti i tipi di superfici indipendentemente dalla forma. Ciò rende possibili tutti i tipi di configurazioni dei dispositivi per il futuro."