Il nanolaser si basa sul disordine nella configurazione dei fori nel cristallo fotonico. La sorgente luminosa è incorporata nel cristallo fotonico stesso, che è trasparente come il vetro e quando la luce colpisce un foro viene riflessa e viene incanalata nella cosiddetta guida d'onda, la corsia centrale del cristallo. Ma la luce viene proiettata avanti e indietro nel cristallo fotonico e a causa delle imperfezioni si intensifica e si trasforma spontaneamente in luce laser. Credito:fotonica quantistica, Istituto Niels Bohr
I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare chip ottici, dove la luce può essere controllata con nanostrutture. Questi potrebbero essere usati per circuiti futuri basati sulla luce (fotoni) invece che sull'elettrone, ovvero la fotonica invece dell'elettronica. Ma si è rivelato impossibile realizzare nanostrutture fotoniche perfette:sono inevitabilmente un po' imperfette. Ora i ricercatori del Niels Bohr Institute in collaborazione con DTU hanno scoperto che le nanostrutture imperfette possono offrire funzionalità completamente nuove. Hanno dimostrato che i chip ottici imperfetti possono essere utilizzati per produrre "nanolaser", che è una fonte di luce in definitiva compatta ed efficiente dal punto di vista energetico. I risultati sono pubblicati sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura .
I ricercatori stanno lavorando con membrane a cristalli fotonici estremamente piccole:la larghezza della membrana è di 25 micrometri, e lo spessore è di 340 nanometri (1 nanometro è un millesimo di micrometro). I cristalli sono fatti del materiale semiconduttore arseniuro di gallio (GaAs). Un modello di fori è inciso nel materiale a una distanza regolare di 380 nanometri. I fori hanno la funzione di fungere da specchi incorporati che riflettono la luce e possono quindi essere utilizzati per controllare la diffusione della luce nel chip ottico. I ricercatori hanno quindi cercato di ottenere una struttura regolare di fori il più perfetta possibile per controllare la luce in determinati circuiti ottici.
Inevitabile disordine sfruttato
Ma in pratica è impossibile evitare piccole irregolarità durante la fabbricazione dei chip ottici e questo può essere un grosso problema, in quanto può comportare la perdita di luce e quindi una ridotta funzionalità. I ricercatori del Niels Bohr Institute hanno ora trasformato il problema delle imperfezioni in un vantaggio.
"Si scopre che i chip ottici imperfetti sono estremamente adatti per catturare la luce. Quando la luce viene inviata nel chip imperfetto, colpirà i tanti piccoli buchi irregolari, che riflettono la luce in direzioni casuali. A causa delle frequenti riflessioni, la luce viene catturata spontaneamente nella nanostruttura e non può sfuggire. Questo permette di amplificare la luce, risultando in condizioni sorprendentemente buone per la creazione di laser altamente efficienti e compatti, " spiega Peter Lodahl, professore e capo del gruppo di ricerca Quantum Photonic presso il Niels Bohr Institute dell'Università di Copenhagen.
Sperimenta con la luce incorporata
I ricercatori di Quantum Photonics del Niels Bohr Institute, guidato dal Professor Peter Lodahl e dal Professore Associato Søren Stobbe, ha progettato il cristallo fotonico e condotto gli studi sperimentali nei laboratori del gruppo di ricerca.
La sorgente luminosa è integrata nel cristallo fotonico stesso ed è composta da uno strato di atomi artificiali che emettono luce (il componente base della luce sono i fotoni). I fotoni vengono inviati attraverso il cristallo, che è trasparente come il vetro e ha un motivo di minuscoli fori. Quando un fotone colpisce un foro viene riflesso e incanalato nella cosiddetta guida d'onda, che è una "traccia fotonica" che può essere utilizzata per guidare i fotoni attraverso il cristallo fotonico. Però, a causa dei fori imperfetti la luce verrà proiettata avanti e indietro nella guida d'onda del cristallo fotonico, intensificandolo e trasformandolo in luce laser.
Il risultato è una luce laser su scala nanometrica e i ricercatori vedono un grande potenziale in questo.
Il sogno di una Internet quantistica
"Il fatto che possiamo controllare la luce e produrre luce laser su scala nanometrica può essere utilizzato per creare circuiti basati su fotoni anziché su elettroni, aprendo così la strada alla tecnologia di comunicazione quantistica ottica in futuro. Con sorgenti laser integrate, saremo in grado di integrare componenti ottici e permette la costruzione di funzionalità complesse. Il nostro sogno finale è costruire un 'Internet quantistico', dove le informazioni sono codificate in singoli fotoni, " spiegano Peter Lodahl e Søren Stobbe, che sono entusiasti dei risultati, che dimostrano che l'inevitabile disordine nel chip ottico non è un limite e può anche essere sfruttato nelle giuste condizioni.
