I nanofili, con diametri fino a 200 nanometri (miliardesimi di metro) e una miscela di materiali che si è dimostrata efficace anche nei progetti di celle solari di prossima generazione, hanno dimostrato di produrre molto luminoso, luce laser stabile. I ricercatori affermano che le eccellenti prestazioni di questi minuscoli laser sono promettenti per il campo dell'optoelettronica, che si concentra sulla combinazione di elettronica e luce per trasmettere dati, tra le altre applicazioni.

La luce può trasportare molti più dati, molto più rapidamente dell'elettronica standard:una singola fibra in un cavo in fibra ottica, misurando meno di un capello di diametro, può portare decine di migliaia di conversazioni telefoniche contemporaneamente, Per esempio. E la miniaturizzazione dei laser su scala nanometrica potrebbe rivoluzionare ulteriormente l'informatica portando la trasmissione dei dati alla velocità della luce ai dispositivi desktop e infine palmari.

"La cosa sorprendente è la semplicità della chimica qui, " disse Peidong Yang, un chimico della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che ha guidato la ricerca, pubblicato il 9 febbraio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Tecniche più standard che producono nanofili possono richiedere apparecchiature costose e condizioni esotiche, come le alte temperature, e può soffrire di altri difetti.

Il team di ricerca ha sviluppato un semplice processo di soluzione di immersione chimica per produrre una miscela autoassemblata di cristalli su scala nanometrica, piastre e fili composti da cesio, piombo e bromo (con la formula chimica:CsPbBr3). La stessa miscela chimica, con un'architettura molecolare composta da strutture cristalline cubiche, si è anche dimostrato efficace in un'ondata emergente di nuovi progetti per celle solari ad alta efficienza.

"La maggior parte del lavoro precedente con questi tipi di materiali si concentra su queste applicazioni di energia solare, " disse Yang, che tiene anche appuntamenti con UC Berkeley e il Kavli Energy NanoScience Institute presso Berkeley Lab e UC Berkeley. "Ci sono stati così tanti progressi con questi materiali solo negli ultimi anni:ho la sensazione che questi materiali apriranno una nuova frontiera di ricerca anche per l'optoelettronica, " Egli ha detto, e nel più ampio campo della fotonica, che si concentra sull'utilizzo della luce per una vasta gamma di applicazioni.

"L'intero scopo dello sviluppo di laser di dimensioni nanometriche è quello di interfacciare dispositivi fotonici (basati sulla luce) con dispositivi elettronici senza soluzione di continuità, "Yang ha detto, "a scale rilevanti per i chip dei computer di oggi. Oggi, questi dispositivi fotonici possono essere ingombranti."

Il team di ricerca di Yang ha aperto la strada allo sviluppo di laser a nanofili quasi 15 anni fa utilizzando una diversa miscela di materiali, tra cui ossido di zinco (ZnO) e nitruro di gallio (GaN). Ma questi e altri, combinazioni più convenzionali di materiali utilizzati per realizzare nanolaser hanno carenze che possono includere una sintonizzabilità limitata, bassa luminosità o processi di produzione costosi.

In questo ultimo lavoro, il team di ricerca ha scoperto come produrre nanofili immergendo una sottile pellicola contenente piombo in una soluzione di metanolo contenente cesio, bromo e cloro riscaldati a circa 122 gradi Fahrenheit. Si è formata una miscela di strutture cristalline di bromuro di cesio e piombo, compresi i nanofili con un diametro da 200 a 2, 300 nanometri (da 0,2 a 2,3 micron) e una lunghezza che va da 2 a 40 micron.

I nanofili selezionati utilizzati nell'esperimento sono stati posizionati su una base di quarzo ed eccitati da un'altra sorgente laser che li ha fatti emettere luce. I ricercatori hanno scoperto che i laser a nanofili emettevano luce per oltre 1 miliardo di cicli dopo essere stati colpiti da un impulso ultraveloce di visibile, luce viola che è durata appena centesimi di quadrilioni di secondo, che secondo Yang ha dimostrato una notevole stabilità.

Yang ha detto a sua conoscenza che questi nanofili potrebbero essere i primi a emettere luce laser utilizzando una miscela di materiali totalmente inorganici (non contenenti carbonio). I ricercatori hanno dimostrato che i laser a nanofili potrebbero essere sintonizzati su una gamma di luce che comprende lunghezze d'onda visibili del verde e del blu.

I nanofili hanno una struttura cristallina che ricorda quella di un minerale naturale noto come perovskite. I ricercatori hanno studiato la loro struttura con una tecnica nota come microscopia elettronica a trasmissione presso il National Center for Electron Microscopy, parte della fonderia molecolare di Berkeley Lab. La Molecular Foundry è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

La struttura cristallina dei nanofili è molto simile al sale, che li rende suscettibili ai danni causati dall'umidità nell'aria, ha detto Yang.

"Questa è una debolezza, qualcosa che dobbiamo studiare e capire come migliorare, " ha detto. Potrebbe essere possibile rivestire i nanofili con polimeri o altro materiale per renderli più resistenti ai danni, Egli ha detto. Ci sono anche opportunità per testare altri materiali e scoprire se migliorano le prestazioni, Egli ha detto, come sostituire lo stagno al piombo.

Ted Sargent, un ricercatore di nanotecnologie e professore all'Università di Toronto che ha familiarità con lo studio, disse, "I risultati indicano una promessa significativa per i nanomateriali di perovskite nel laser". Anche, Egli ha detto, la stabilità dei nanolaser, che hanno dimostrato di funzionare in aria per più di un'ora, era "impressionante".

Yang ha detto, "Questo campo si sta evolvendo rapidamente. Siamo appena entrati in questo campo solo 12 mesi fa, e questi laser sono già fantastici, emettitori luminosi. È così eccitante".