Per la prima volta, i ricercatori hanno costruito un nanolaser che utilizza solo un singolo strato molecolare, posto su una sottile trave di silicio, che funziona a temperatura ambiente. Il nuovo dispositivo, sviluppato da un team di ricercatori dell'Arizona State University e della Tsinghua University, Pechino, Cina, potrebbe essere potenzialmente utilizzato per inviare informazioni tra punti diversi su un singolo chip del computer. I laser possono anche essere utili per altre applicazioni di rilevamento in un compatto, formato integrato.

"Questa è la prima dimostrazione del funzionamento a temperatura ambiente di un nanolaser realizzato con materiale a strato singolo, " disse Cun-Zheng Ning, un professore di ingegneria elettrica dell'ASU che ha guidato il gruppo di ricerca. I dettagli del nuovo laser sono pubblicati nell'edizione online di luglio di Nanotecnologia della natura .

Oltre a Ning, principali autori dell'articolo, "Lasing a onda continua a temperatura ambiente da ditellururo di molibdeno monostrato integrato con una cavità di nanoraggio di silicio, " includi Yongzhuo Li, Jianxing Zhang, Dandan Huang dell'Università Tsinghua.

Ning ha detto che il cardine del nuovo sviluppo è l'uso di materiali che possono essere posati in strati singoli e amplificano efficacemente la luce (azione laser). I nanolaser a strato singolo sono stati sviluppati in precedenza, ma tutti dovevano essere raffreddati a basse temperature usando un criogeno come l'azoto liquido o l'elio liquido. Essere in grado di operare a temperatura ambiente (~77 F) apre molte possibilità per gli usi di questi nuovi laser, " ha detto Ning.

Il team di ricerca congiunto ASU-Tsinghua ha utilizzato un monostrato di ditellururo di molibdeno integrato con una cavità a nanofascio di silicio per il loro dispositivo. Combinando ditellururo di molibdeno con silicio, che è il fondamento della produzione di semiconduttori e uno dei migliori materiali per guide d'onda, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un'azione laser senza raffreddamento, ha detto Ning.

Un laser ha bisogno di due elementi chiave:un mezzo di guadagno che produce e amplifica i fotoni, e una cavità che confina o intrappola i fotoni. Sebbene la scelta di tali materiali sia facile per i laser di grandi dimensioni, diventano più difficili su scala nanometrica per i nanolaser. I nanolaser sono più piccoli del centesimo dello spessore dei capelli umani e dovrebbero svolgere un ruolo importante nei futuri chip per computer e in una varietà di dispositivi di rilevamento e rilevamento della luce.

La scelta dei materiali bidimensionali e della guida d'onda in silicio ha consentito ai ricercatori di ottenere il funzionamento a temperatura ambiente. Gli eccitoni nel tellururo di molibdeno emettono in una lunghezza d'onda trasparente al silicio, rendendo possibile il silicio come guida d'onda o materiale per cavità. Anche la fabbricazione precisa della cavità del nanoraggio con una serie di fori incisi e l'integrazione di materiali monostrato bidimensionali è stata fondamentale per il progetto. Gli eccitoni in tali materiali monostrato sono 100 volte più forti di quelli dei semiconduttori convenzionali, consentendo un'emissione luminosa efficiente a temperatura ambiente.

Poiché il silicio è già utilizzato in elettronica, soprattutto nei chip dei computer, il suo utilizzo in questa applicazione è significativo nelle applicazioni future.

"Una tecnologia laser realizzabile anche su silicio è da decenni un sogno dei ricercatori, " ha detto Ning. "Questa tecnologia alla fine consentirà alle persone di mettere sia l'elettronica che la fotonica sulla stessa piattaforma di silicio, semplificando notevolmente la produzione."

Il silicio non emette luce in modo efficiente e quindi deve essere combinato con altri materiali che emettono luce. Attualmente, vengono utilizzati altri semiconduttori, come il fosfuro di indio o l'arseniuro di aglio di indio che sono centinaia di volte più spessi, legarsi con il silicio per tali applicazioni.

I nuovi materiali monostrato combinati con il silicio eliminano le sfide incontrate quando si combinano con più spessi, materiali dissimili. E, perché questo materiale non siliconico è spesso solo un singolo strato, è flessibile e ha meno probabilità di rompersi sotto stress, secondo Ning.

Guardare avanti, il team sta lavorando per alimentare il proprio laser con tensione elettrica per rendere il sistema più compatto e facile da usare, soprattutto per l'uso previsto sui chip dei computer.