Scienziati dei materiali e fisici dell'Università di Heidelberg (Germania) e dell'Università di St Andrews (Scozia) hanno dimostrato la generazione elettrica di particelle ibride di luce-materia, cosiddetti eccitoni-polaritoni, utilizzando transistor ad effetto di campo con nanotubi di carbonio semiconduttori integrati in microcavità ottiche.

La straordinaria stabilità di questi transistor ha consentito il pompaggio elettrico a velocità senza precedenti, che apre la strada ai laser a pompaggio elettrico con semiconduttori processati in soluzione e a base di carbonio. Poiché l'emissione di queste sorgenti luminose può essere sintonizzata su un'ampia gamma dello spettro del vicino infrarosso, questo lavoro è particolarmente promettente per le applicazioni nelle telecomunicazioni.

Questi risultati, pubblicato in Materiali della natura , sono l'ultimo risultato di una fruttuosa collaborazione tra il professor Dr Jana Zaumseil (Heidelberg) e il professor Dr Malte C. Gather (St Andrews).

La ricerca sui dispositivi optoelettronici che utilizzano materiali a base di carbonio e organici ha portato a una varietà di nuove applicazioni, come i diodi organici a emissione di luce per l'efficienza energetica, display e TV per smartphone luminosi e ad alta risoluzione.

Però, nonostante il rapido sviluppo in questo settore, Il laser pompato elettricamente da materiali organici rimane sfuggente. Una delle principali sfide consiste nel generare le elevate velocità di pompaggio necessarie per il laser. Recentemente, i cosiddetti laser a polariton hanno ricevuto molta attenzione in quanto forniscono un modo nuovo e potenzialmente più efficiente per generare luce simile al laser.

Invece di fare affidamento esclusivamente sui fotoni come in un laser convenzionale, il laser a polaritone utilizza fotoni fortemente accoppiati agli stati eccitati del materiale. Questa natura accoppiata dei polaritoni può facilitare la generazione di luce simile al laser se si potessero ottenere densità di corrente sufficientemente elevate.

In precedenza lo stesso team ha dimostrato che è possibile formare polaritoni in nanotubi di carbonio semiconduttori a temperatura ambiente mediante eccitazione ottica esterna. Nel loro ultimo lavoro, i ricercatori hanno ora trovato un modo per generare polaritoni elettricamente.

Per realizzare questo, hanno sviluppato un transistor a effetto di campo a emissione di luce basato su nanotubi di carbonio che è stato incorporato tra due specchi metallici in stretta prossimità che funge da microcavità ottica. In un tale dispositivo il flusso di corrente è perpendicolare alla retroazione ottica, che consente di ottimizzare entrambi indipendentemente.

A causa dell'estrema stabilità e dell'elevata conduttività fornita dai nanotubi di carbonio in questo dispositivo, sono state raggiunte densità di corrente ordini di grandezza superiori a qualsiasi valore precedentemente riportato. Calcoli del dottorando Arko Graf, uno dei primi autori dello studio, mostrano che con ulteriori miglioramenti all'architettura del dispositivo, il laser a polaritone pompato elettricamente sarà a portata di mano.

Il professor Zaumseil spiega:"Oltre alla potenziale generazione di luce laser, questi dispositivi possono essere utilizzati anche per sintonizzare in modo reversibile tra forte e debole accoppiamento luce-materia, che apre la strada a indagini più fondamentali".

Il professor Gather ha aggiunto:"La nostra curiosità di capire cosa succede quando combiniamo nanomateriali su misura con strutture fotoniche di alta qualità è davvero ciò che guida questa collaborazione".

Il paper "Electrical pumping and tuning of exciton-polaritons in carbon nanotube microcavities" di A. Graf, M. tenuto, Y. Zacharko, L. Tropf, M.C. Gather and J. Zaumseil è pubblicato online nel numero del 17 luglio 2017 di Materiali della natura .