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. Il risultato, definito “straordinario” è stato ottenuto introducendo nel laser una struttura in grafene capace di amplificare la radiazione e spingerla verso frequenze più elevate ed è frutto di una ricerca guidata dall’Istituto nanoscienze del Cnr di Pisa (Cnr Nano) in collaborazione con l’Università di Leeds e il Cambridge Graphene Centre. Lo studio è pubblicata su Nature Nanotechnology che lo ha selezionato per la copertina del numero di novembre.
I laser a cascata quantica, spiega il Cnr, 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 integrando 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.
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