Gli scienziati sono riusciti a ottenere con successo la generazione di laser a infrarossi a temperatura ambiente, che dovrebbe portare laser a pompa di potenza inferiore

ILlaserutilizzati per illuminare le reti di comunicazione ottica del mondo sono solitamente costituiti da fibre drogate con erbio o semiconduttori III-V, perché questilaserpuò emettere lunghezze d'onda infrarosse che possono essere trasmesse attraverso fibre ottiche. Tuttavia, allo stesso tempo, questo materiale non è facile da integrare con l’elettronica tradizionale in silicio.

In un nuovo studio, gli scienziati spagnoli hanno affermato che in futuro si prevede che produrranno laser a infrarossi che potranno essere rivestiti lungo fibre ottiche o depositati direttamente sul silicio come parte del processo di produzione CMOS. Hanno dimostrato che possono generarsi punti quantici colloidali integrati in una cavità ottica appositamente progettatalaserluce attraverso una finestra di comunicazione ottica a temperatura ambiente.

I punti quantici sono semiconduttori su scala nanometrica contenenti elettroni. I livelli energetici degli elettroni sono simili a quelli degli atomi reali. Di solito vengono prodotti riscaldando colloidi contenenti precursori chimici di cristalli di punti quantici e hanno proprietà fotoelettriche che possono essere regolate modificandone le dimensioni e la forma. Finora sono stati ampiamente utilizzati in vari dispositivi, tra cui celle fotovoltaiche, diodi emettitori di luce e rilevatori di fotoni.

Nel 2006, un team dell’Università di Toronto in Canada ha dimostrato l’uso di punti quantici colloidali di solfuro di piombo per i laser a infrarossi, ma deve essere fatto a basse temperature per evitare di eccitare termicamente la ricombinazione Auger di elettroni e lacune. L'anno scorso, i ricercatori di Nanchino, in Cina, hanno riferito di laser a infrarossi prodotti da punti di seleniuro d'argento, ma i loro risonatori erano piuttosto poco pratici e difficili da regolare.

Nell'ultima ricerca, Gerasimos Konstantatos del Barcelona Institute of Technology in Spagna e i suoi colleghi si sono affidati a una cosiddetta cavità di feedback distribuito per ottenere laser a infrarossi a temperatura ambiente. Questo metodo utilizza un reticolo per limitare una banda di lunghezze d'onda molto stretta, risultando in un'unica modalità laser.

Per realizzare il reticolo, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni per incidere modelli sul substrato di zaffiro. Hanno scelto lo zaffiro per la sua elevata conduttività termica, che può assorbire la maggior parte del calore generato dalla pompa ottica: questo calore causerà la ricombinazione del laser e renderà instabile l'uscita del laser.

Quindi, Konstantatos e i suoi colleghi hanno posizionato un colloide a punti quantici di solfuro di piombo su nove reticoli con passi diversi, che vanno da 850 nanometri a 920 nanometri. Hanno anche utilizzato tre diverse dimensioni di punti quantici con diametri di 5,4 nm, 5,7 nm e 6,0 nm.

In un test a temperatura ambiente, il team ha dimostrato di poter generare laser nelle bande di comunicazione C, L e U, da 1553 nm a 1649 nm, raggiungendo l'intera larghezza, metà del valore massimo, fino a 0,9 meV. Hanno anche scoperto che, grazie al solfuro di piombo drogato con n, è possibile ridurre l'intensità di pompaggio di circa il 40%. Konstantatos ritiene che questa riduzione aprirà la strada a laser a pompa più pratici e a bassa potenza e potrebbe persino aprire la strada al pompaggio elettrico.

Per quanto riguarda le potenziali applicazioni, Konstantatos ha affermato che la soluzione del punto quantico potrebbe portare nuove sorgenti laser integrate CMOS per ottenere una comunicazione economica, efficiente e veloce all'interno o tra i circuiti integrati. Ha aggiunto che, considerando che i laser a infrarossi sono considerati innocui per la visione umana, potrebbero anche migliorare il lidar.

Tuttavia, prima che i laser possano essere utilizzati, i ricercatori devono prima ottimizzare i loro materiali per dimostrare l'uso dei laser con sorgenti a onda continua o con pompa a impulsi lunghi. La ragione di ciò è quella di evitare l'uso di laser sub-picosecondi costosi e ingombranti. Konstantatos ha affermato: "Gli impulsi di nanosecondi o le onde continue ci consentiranno di utilizzare laser a diodi, rendendolo un ambiente più pratico".