Un team internazionale di scienziati guidati da ricercatori del Laboratorio di nanomateriali presso lo Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials (CPQM) ha dimostrato che la risposta ottica non lineare dei nanotubi di carbonio può essere controllata mediante gating elettrochimico. Questo approccio ha consentito di progettare un dispositivo per il controllo della durata dell'impulso laser. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista internazionale Nano lettere .

Fenomeni ottici che incontriamo nella nostra vita quotidiana, come la riflessione, rifrazione o assorbimento della luce, non dipendono dall'intensità della luce incidente. Però, a intensità di radiazione molto elevate, sorge una nuova classe di fenomeni, che provoca variazioni dell'indice di rifrazione, autofocalizzazione della luce o comparsa di radiazioni a nuove lunghezze d'onda. Questi e altri fenomeni che dipendono dall'intensità della luce sono studiati da una sezione di fisica chiamata ottica non lineare. Normalmente, l'efficienza della risposta ottica non lineare è la caratteristica invariabile del materiale determinata dalla sua struttura.

L'utilizzo dei nanomateriali come mezzo ottico non lineare apre nuove prospettive per il controllo della non linearità grazie al fatto che la maggior parte dei suoi atomi è esposta alla superficie. Ciò consente di controllare la struttura elettronica di un materiale e quindi di modificarne la risposta ottica non lineare.

Gli scienziati di Skoltech in collaborazione con i loro colleghi del Centro di ricerca sulle fibre ottiche di RAS, La Novosibirsk State University e l'Università di Warwick (Regno Unito) hanno proposto un metodo per controllare l'assorbimento saturabile dei nanotubi di carbonio mediante gating elettrochimico. L'assorbimento saturabile è un effetto ottico non lineare quando il coefficiente di assorbimento diminuisce all'aumentare della potenza della luce incidente. Così, il materiale diventa più trasparente sotto intense radiazioni laser. "Abbiamo dimostrato che l'entità della trasparenza non lineare può essere controllata posizionando il materiale in una cella elettrochimica. È noto che, se posto nella cella elettrochimica, i nanotubi possono accumulare una notevole quantità di carica elettrica sulla loro superficie. Ciò che non si sapeva finora è che l'accumulo di carica porta a un cambiamento significativo nella risposta ottica non lineare del materiale e, in particolare, una riduzione dell'assorbimento saturabile, " afferma il primo autore dello studio e Senior Research Scientist presso Skoltech, Yuriy Gladush.

Anche, gli autori hanno esaminato una delle potenziali applicazioni pratiche di un materiale con una risposta non lineare controllata. L'assorbimento saturabile è ampiamente utilizzato nei sistemi laser per generare impulsi di luce a femtosecondi. Tutto quello che devi fare è posizionare un assorbitore saturabile con determinati parametri nella cavità del laser. "Abbiamo ipotizzato che il regime di generazione del laser possa essere controllato regolando la risposta non lineare del materiale. Per fare ciò, abbiamo costruito una cella elettrochimica con nanotubi di carbonio posti sulla superficie della fibra ottica e l'abbiamo integrata nella cavità del laser in fibra ottica. Abbiamo scoperto che applicando tensione al dispositivo, si può passare da un regime di generazione laser continua a un regime pulsato nell'intervallo dei femtosecondi e dei microsecondi. Questa invenzione apre la strada a sistemi laser universali con una durata dell'impulso controllabile che possono essere utilizzati nella lavorazione laser dei materiali, chirurgia laser, e medicina estetica, " spiega Albert Nasibulin, Responsabile del Laboratorio di Nanomateriali di Skoltech e Professore di RAS.