Strutture a semiconduttore filiformi chiamate nanofili, così sottili da essere effettivamente unidimensionali, mostrano il potenziale come laser per applicazioni nel campo dell'informatica, comunicazioni, e percependo. Gli scienziati della Technische Universitaet Muenchen (TUM) hanno dimostrato l'azione del laser nei nanofili semiconduttori che emettono luce a lunghezze d'onda tecnologicamente utili e funzionano a temperatura ambiente. Ora hanno documentato questa svolta nella rivista Comunicazioni sulla natura e, in Nano lettere , hanno divulgato ulteriori risultati che mostrano prestazioni ottiche ed elettroniche migliorate.

"I laser a nanofili potrebbero rappresentare il prossimo passo nello sviluppo di dispositivi più piccoli, Più veloce, fonti di luce più efficienti dal punto di vista energetico, "dice il prof. Jonathan Finley, direttore del Walter Schottky Institute di TUM. Le potenziali applicazioni includono interconnessioni ottiche su chip o persino transistor ottici per velocizzare i computer, optoelettronica integrata per comunicazioni in fibra ottica, e array laser con fasci orientabili. "Ma i nanofili sono anche un po' speciali, "Finley aggiunge, "in quanto sono molto sensibili a ciò che li circonda, hanno un grande rapporto superficie-volume, e sono abbastanza piccoli, Per esempio, per colpire una cellula biologica." Quindi i laser a nanofili potrebbero anche rivelarsi utili nel rilevamento ambientale e biologico.

Questi laser sperimentali a nanofili emettono luce nel vicino infrarosso, avvicinandosi allo "sweet spot" per le comunicazioni in fibra ottica. Possono essere coltivate direttamente su silicio, presentare opportunità per la fotonica e l'optoelettronica integrate. E funzionano a temperatura ambiente, un prerequisito per le applicazioni del mondo reale.

Su misura in laboratorio, con un occhio all'industria

Per quanto minuscoli – mille volte più sottili di un capello umano – i laser a nanofili dimostrati al TUM hanno una complessa sezione trasversale "core-shell" con un profilo di diversi materiali semiconduttori su misura virtualmente atomo per atomo.

La struttura core-shell su misura dei nanofili consente loro di agire sia come laser, generando impulsi di luce coerenti, e come guide d'onda, simile alle fibre ottiche. Come i laser di comunicazione convenzionali, questi nanofili sono costituiti dai cosiddetti semiconduttori III-V, materiali con il giusto "bandgap" per emettere luce nel vicino infrarosso. Un vantaggio unico, Finley spiega, è che la geometria del nanofilo è "più tollerante dei cristalli o dei film sfusi, permettendoti di combinare materiali che normalmente non puoi combinare." Poiché i nanofili derivano da una base di solo decine o centinaia di nanometri di diametro, possono essere coltivati ​​direttamente su chip di silicio in un modo che allevia le restrizioni dovute al disadattamento del reticolo cristallino, producendo così materiale di alta qualità con il potenziale per alte prestazioni.

Metti insieme queste caratteristiche, e diventa possibile immaginare un percorso dalla ricerca applicata a una varietà di applicazioni future. Rimangono numerose sfide significative, però. Per esempio, l'emissione laser dai nanofili TUM è stata stimolata dalla luce – così come i laser a nanofili riportati quasi contemporaneamente da un team dell'Australian National University – ma è probabile che le applicazioni pratiche richiedano dispositivi a iniezione elettrica.

Laser Nanowire:una frontiera tecnologica dalle brillanti prospettive

I risultati appena pubblicati sono in gran parte dovuti a un team di scienziati che stanno iniziando la loro carriera, sotto la guida del Dr. Gregor Koblmueller e di altri ricercatori senior, alla frontiera di un nuovo campo. Dottorandi tra cui Benedikt Mayer, Daniele Rodolfo, Stefanie Morkötter e Julian Treu hanno unito i loro sforzi, lavorare insieme alla progettazione fotonica, crescita materiale, e caratterizzazione mediante microscopia elettronica con risoluzione atomica.

La ricerca in corso è diretta verso una migliore comprensione dei fenomeni fisici all'opera in tali dispositivi, nonché verso la creazione di laser a nanofili iniettati elettricamente, ottimizzando le loro prestazioni, e integrandoli con piattaforme per la fotonica del silicio.

"Attualmente pochissimi laboratori al mondo hanno la capacità di coltivare materiali e dispositivi a nanofili con la precisione richiesta, " afferma il coautore Prof. Gerhard Abstreiter, fondatore del Walter Schottky Institute e direttore del TUM Institute for Advanced Study. "E ancora, " lui spiega, "i nostri processi e progetti sono compatibili con i metodi di produzione industriale per l'informatica e le comunicazioni. L'esperienza mostra che l'esperimento dell'eroe di oggi può diventare la tecnologia commerciale di domani, e spesso lo fa".