Un laser potenziato dal grafene estende i limiti dell’emissione ottica

Per la prima volta, un laser compatto è riuscito a emettere luce fino a 10 terahertz, nella cosiddetta ‘banda proibita’ dei terahertz, una regione dello spettro finora irraggiungibile per i laser a semiconduttore. Lo straordinario risultato, guidato dall’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche di Pisa (Cnr Nano) in collaborazione con l’Università di Leeds e il Cambridge Graphene Centre, è stato ottenuto introducendo nel laser una struttura in grafene capace di amplificare la radiazione e spingerla verso frequenze più elevate. La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology, che lo ha selezionato per la copertina del numero di novembre.
 
I laser a cascata quantica sono dispositivi molto compatti, ideali per generare radiazione terahertz, ma presentano un limite fondamentale: tra 6 e 10 THz non riescono a emettere luce. In questa regione dello spettro, i materiali semiconduttori come l’arseniuro di gallio che costituiscono il cuore del laser, assorbono fortemente la radiazione, impedendo l’amplificazione del segnale e il funzionamento del dispositivo. Questa “banda mancante” ha finora impedito lo sviluppo di sorgenti compatte per applicazioni cruciali in spettroscopia, sensoristica, comunicazioni e astronomia.
 
Le ricercatrici di Cnr Nano Miriam Serena Vitiello (coordinatrice dello studio) e Alessandra Di Gaspare hanno aggirato questo limite grazie a un’idea innovativa: hanno integrato sulla superficie del laser un reticolo di micro-nastri di grafene che modifica la risposta elettromagnetica del laser. “Il reticolo di grafene amplifica il campo elettrico all’interno dal laser e innesca un fenomeno noto come generazione della terza armonica: la radiazione prodotta dal laser a 3,3 THz viene trasformata a frequenze tre volte più alte raggiungendo così la regione dei 9–10 THz”, spiega Vitiello. “Il grafene agisce come un vero e proprio ‘trampolino ottico’, capace di rilanciare la luce spingendola verso frequenze più alte, oltre il limite imposto dal materiale semiconduttore. Il grafene, cioè. agisce come un vero e proprio ‘trampolino ottico’, consentendo alla luce di effettuare un triplo salto di frequenza e raggiungere così una regione dello spettro mai raggiunta prima dai laser a semiconduttore”.
 
Il laser, in questa prima versione, ha una potenza non elevata ma sufficiente per applicazioni molto sensibili, come la spettroscopia usata in astronomia o nel monitoraggio dell’atmosfera. Ma soprattutto, apre la strada a una nuova generazione di sorgenti terahertz compatte e regolabili, che potrebbero coprire l’intero spettro di frequenze terahertz, da 1,2 a 12 THz.
 
“Il nostro approccio mostra che è possibile superare un limite considerato invalicabile e che il grafene, ancora una volta, riesce a spingersi dove altri materiali falliscono, trasformando un vecchio limite della fisica dei semiconduttori in una nuova opportunità per la luce stessa”, conclude la ricercatrice.
 
Il progetto è stato sviluppato interamente al Cnr Nano di Pisa all’interno del laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore, con il contributo dell’Università di Leeds per la crescita del semiconduttore del laser e del Cambridge Graphene Centre per il grafene ad alta qualità. Il progetto è sostenuto dal programma europeo EXTREME IR – Horizon 2020.