Un team internazionale di ricercatori ha annunciato lo sviluppo del laser a semiconduttore più compatto al mondo che funziona nel campo del visibile a temperatura ambiente. Secondo gli autori della ricerca, il laser è una nanoparticella di soli 310 nanometri di dimensione (che è 3, 000 volte meno di un millimetro) che può produrre luce verde coerente a temperatura ambiente. L'articolo di ricerca è stato pubblicato in ACS Nano .

Sessant'anni fa, a metà maggio, Il fisico americano Theodor Maiman dimostrò il funzionamento del primo generatore quantistico ottico:un laser. Ora, un team internazionale di scienziati, la maggior parte dei quali proviene dall'Università ITMO, riferisce di aver dimostrato sperimentalmente il laser a semiconduttore più compatto al mondo che opera nel campo del visibile a temperatura ambiente. Ciò significa che la luce verde coerente che produce può essere facilmente registrata e persino vista a occhio nudo utilizzando un microscopio ottico standard.

Gli scienziati sono riusciti a sfruttare la parte verde della banda visibile, che era considerato problematico per i nanolaser. "Nel campo moderno dei semiconduttori emettitori di luce, c'è il problema del "gap verde", "dice Sergey Makarov, ricercatore principale dell'articolo e professore presso la Facoltà di Fisica e Ingegneria dell'Università ITMO. "Il gap verde significa che l'efficienza quantica dei materiali semiconduttori convenzionali utilizzati per i diodi emettitori di luce cade drasticamente nella parte verde dello spettro. Questo problema complica lo sviluppo di nanolaser a temperatura ambiente realizzati con materiali semiconduttori convenzionali".

Il team ha scelto la perovskite ad alogenuri come materiale per i loro nanolaser. Un laser tradizionale è costituito da due elementi chiave:un mezzo attivo che consente la generazione di un'emissione stimolata coerente e un risonatore ottico che aiuta a confinare l'energia elettromagnetica all'interno per lungo tempo. La perovskite può fornire entrambe queste proprietà:una nanoparticella di una certa forma può agire sia come mezzo attivo che come risonatore efficiente.

Di conseguenza, gli scienziati sono riusciti a fabbricare una particella di forma cubica di 310 nanometri di dimensione, che può generare radiazione laser a temperatura ambiente quando fotoeccitata da un impulso laser a femtosecondi.

"Abbiamo usato impulsi laser a femtosecondi per pompare i nanolaser, "dice Ekaterina Tiguntseva, un ricercatore junior presso l'Università ITMO e uno dei coautori dell'articolo. "Abbiamo irradiato nanoparticelle isolate fino a raggiungere la soglia della generazione del laser a una specifica intensità di pompa. Successivamente, la nanoparticella inizia a funzionare come un tipico laser. Abbiamo dimostrato che un tale nanolaser può funzionare durante almeno un milione di cicli di eccitazione".

L'unicità del nanolaser sviluppato non si limita alle sue piccole dimensioni. Il nuovo design delle nanoparticelle consente un confinamento efficiente dell'energia di emissione stimolata per fornire un'amplificazione sufficientemente elevata dei campi elettromagnetici per la generazione del laser.

"L'idea è che la generazione del laser sia un processo di soglia, " spiega Kirill Koshelev, un ricercatore junior presso l'Università ITMO e uno dei coautori dell'articolo. "Ecciti la nanoparticella con un impulso laser, e ad una specifica intensità "soglia" della sorgente esterna, la particella inizia a generare emissione laser. Se non riesci a confinare abbastanza bene la luce all'interno, non ci saranno emissioni laser. Nei precedenti esperimenti con altri materiali e sistemi, ma idee simili, è stato dimostrato che si possono usare risonanze Mie del quarto o quinto ordine, significa risonanze in cui la lunghezza d'onda della luce all'interno del materiale si adatta al volume del risonatore quattro o cinque volte alla frequenza di generazione del laser. Abbiamo mostrato che la nostra particella supporta una risonanza di Mie del terzo ordine, che non è mai stato fatto prima. In altre parole, possiamo produrre un'emissione stimolata coerente alle condizioni in cui la dimensione del risonatore è uguale a tre lunghezze d'onda della luce all'interno del materiale."

In particolare, non è necessario applicare una pressione esterna o una temperatura molto bassa affinché la nanoparticella funzioni come un laser. Tutti gli effetti descritti nella ricerca sono stati prodotti a pressione atmosferica e temperatura ambiente regolari. Ciò rende la tecnologia attraente per gli specialisti che si concentrano sulla creazione di chip ottici, sensori e altri dispositivi che utilizzano la luce per trasferire ed elaborare informazioni, compresi chip per computer ottici.

Il vantaggio dei laser che funzionano nel campo visibile è che a parità di tutte le altre proprietà, sono più piccole delle sorgenti rosse e infrarosse con le stesse proprietà. Cosa è, il volume dei piccoli laser ha generalmente una dipendenza cubica dalla lunghezza d'onda dell'emissione, e poiché la lunghezza d'onda della luce verde è tre volte inferiore a quella della luce infrarossa, il limite della miniaturizzazione è molto maggiore per i laser verdi. Ciò è essenziale per la produzione di componenti ultracompatti per i futuri sistemi di computer ottici.