I fisici dell'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno sviluppato un nanolaser, mille volte più sottile di un capello umano. Grazie ad un ingegnoso procedimento, i laser a nanofili crescono proprio su un chip di silicio, rendendo possibile la produzione di componenti fotonici ad alte prestazioni a costi contenuti. Ciò aprirà la strada a un'elaborazione dei dati rapida ed efficiente con la luce in futuro.

sempre più piccolo, sempre più veloce, sempre più economico:dall'inizio dell'era dei computer le prestazioni dei processori sono raddoppiate in media ogni 18 mesi. già 50 anni fa, Il co-fondatore di Intel Gordon E. Moore ha previsto questa sorprendente crescita delle prestazioni. E la legge di Moore sembra essere valida fino ad oggi.

Ma la miniaturizzazione dell'elettronica sta ora raggiungendo i suoi limiti fisici. "Già oggi, i transistor hanno una dimensione di pochi nanometri. Ulteriori riduzioni sono terribilmente costose, "dice il professor Jonathan Finley, Direttore dell'Istituto Walter Schottky al TUM. "Migliorare le prestazioni è ottenibile solo sostituendo gli elettroni con i fotoni, cioè particelle di luce."

Fotonica:la pallottola d'argento della miniaturizzazione

La trasmissione e l'elaborazione dei dati con la luce ha il potenziale di rompere le barriere dell'elettronica attuale. Infatti, i primi chip fotonici a base di silicio esistono già. Però, le sorgenti luminose per la trasmissione dei dati devono essere fissate al silicio in processi di fabbricazione complicati ed elaborati. I ricercatori di tutto il mondo sono quindi alla ricerca di approcci alternativi.

Gli scienziati della TU Munich sono ora riusciti in questo sforzo:il Dr. Gregor Koblmüller del Dipartimento di semiconduttori Quantum-Nanosystems ha, in collaborazione con Jonathan Finley, ha sviluppato un processo per depositare nanolaser direttamente su chip di silicio. In attesa di brevetto per la tecnologia.

Far crescere un semiconduttore III-V su silicio richiede una tenace sperimentazione. "I due materiali hanno diversi parametri reticolari e diversi coefficienti di espansione termica. Questo porta a deformazioni, " spiega Koblmüller. "Ad esempio, La crescita planare convenzionale di arseniuro di gallio su una superficie di silicio risulta quindi in un gran numero di difetti".

Il team TUM ha risolto questo problema in modo ingegnoso:depositando nanofili che sono indipendenti sul silicio, le loro impronte sono solo pochi nanometri quadrati. Gli scienziati potrebbero così precludere l'emergere di difetti nel materiale GaAs.

Atomo per atomo in un nanofilo

Ma come si trasforma un nanofilo in un laser a cavità verticale? Per generare una luce coerente, i fotoni devono essere riflessi alle estremità superiore e inferiore del filo, amplificando così la luce fino a raggiungere la soglia desiderata per il laser.

Per soddisfare queste condizioni, i ricercatori hanno dovuto sviluppare un semplice, soluzione ancora sofisticata:"L'interfaccia tra l'arseniuro di gallio e il silicio non riflette sufficientemente la luce. Abbiamo quindi costruito uno specchio aggiuntivo:uno strato di ossido di silicio spesso 200 nanometri che abbiamo fatto evaporare sul silicio, " spiega Benedikt Mayer, dottorando nel team guidato da Koblmüller e Finley. "Piccoli fori possono quindi essere incisi nello strato dello specchio. Usando l'epitassia, i nanofili semiconduttori possono quindi essere fatti crescere atomo per atomo da questi fori".

Solo una volta che i fili sporgono oltre la superficie dello specchio possono crescere lateralmente, fino a quando il semiconduttore non è abbastanza spesso da consentire ai fotoni di spostarsi avanti e indietro per consentire l'emissione e il laser stimolati. "Questo processo è molto elegante perché ci permette di posizionare i laser a nanofili direttamente anche su guide d'onda nel chip di silicio, " dice Koblmüller.

Ricerca di base sulla via delle applicazioni

Attualmente, i nuovi laser a nanofili all'arseniuro di gallio producono luce infrarossa a una lunghezza d'onda predefinita e sotto eccitazione pulsata. "In futuro vogliamo modificare la lunghezza d'onda di emissione e altri parametri laser per controllare meglio la stabilità della temperatura e la propagazione della luce sotto eccitazione continua all'interno dei chip di silicio, " aggiunge Finley.

Il team ha appena pubblicato i suoi primi successi in questa direzione. E hanno puntato fermamente sul loro prossimo obiettivo:"Vogliamo creare un'interfaccia elettrica in modo da poter far funzionare i nanofili sotto iniezione elettrica invece di fare affidamento su laser esterni, " spiega Koblmüller.

"Il lavoro è un prerequisito importante per lo sviluppo di componenti ottici ad alte prestazioni nei futuri computer, " riassume Finley. "Siamo stati in grado di dimostrare che la produzione di chip di silicio con laser a nanofili integrati è possibile".