Grazie a una griglia di grafene che agisce come “trampolino” per la luce, il nuovo laser è in grado di superare i limiti dei semiconduttori e raggiungere fino a 10 terahertz, una frequenza finora inaccessibile. Lo studio è pubblicato su Nature Nanotechnology, che ha dedicato la copertina dell’ultimo numero al risultato.
Per la prima volta, un laser compatto è riuscito a emettere luce fino a dieci 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”, 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.
