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L'illustrazione alla sinistra mostra le variazioni nell'intensità di luce all'interno del nanolaser. La figura sulla destra mostra schematicamente il nanolaser con la cavità metallica, dove il centro rosso confina la parte elettronica e l'involucro grigio è argento. Lo strato blu sopra è un sub-stratto dove viene fatta crescere la struttura del laser. La parte arancione è l'emissione di luce. Credit: Ning et al. 2013

I nano-laser elettrici sono uno dei più grandi ed innovativi strumenti sviluppati negli ultimi anni, ma hanno sempre avuto un grosso limite: funzionano bene soltanto a temperature molto molto basse. Adesso però un gruppo di ricercatori dell'Università Statale dell'Arizona, hanno mostrato una nuova tecnologia che permette ai nano-laser di funzionare anche a temperatura ambiente, gettando così le basi per lo sviluppo di una marea di nuove applicazioni pratiche.
I dettagli sono stati pubblicati nel recente numero del giornale scientifico "Optics Express".

Il team di ricerca è stato guidato da Cun-Zheng Ning, professore di ingegneria elettrica, che ha lavorato per anni con scienziati ed ingegneri da tutto il mondo, nel tentativo di creare un nanolaser funzionale con un volume che fosse più piccolo della sua lunghezza d'onda al cubo, un passo intermedio verso la futura maggiore miniaturizzazione dei laser.

Riuscire a miniaturizzare sempre di più i laser è assolutamente fondamentale per riuscire a fare nuovi passi nella direzione del miniaturizzare l'intero campo dell'elettronica, permettendo anche ai circuiti di funzionare molto più rapidamente. Incastrare insieme più laser in spazi più piccolo è necessario per rendere i dispositivi elettronici più piccoli mantenendo però un'altissima performance. Riuscire ad integrare poi più laser su un piccolo microchip potrà fare una grande differenza per la nuova generazione di computer e dispositivi portatili di vario genere. La scala della lunghezza d'onda del laser stesso è la prossima pietra miliare da raggiungere nello sforzo continuo di miniaturizzazione.

Ning spiega che laser estremamente piccoli e sottili sono già stati sviluppati ma hanno bisogno di essere fatti funzionare otticamente da altri laser più grandi. Inoltre, l'attuale generazione di nanolaser può operare soltanto a bassissime temperature ed emettere luce soltanto in piccoli lampi o impulsi.

Per permettere loro di essere usati facilmente in applicazioni pratiche, in particolare per miglioramenti delle tecnologie fotoniche ed elettroniche, è necessario che i laser operino a temperatura ambiente senza un sistema di refrigerazione, che siano alimentati elettricamente da una semplice batteria piuttosto che da altri laser e che possano emettere luce continuamente.
"Questo era il grande obbiettivo finale nella comunità di ricerca sui nanolaser" ha spiegato Ning.

Il team di Ning ha iniziato a cercare possibili soluzioni quasi 7 anni fa ormai, prima di aggiungersi al team dell'Università Statale dell'Arizona insieme al suo, allora assistente post-dottorato, Alex Maslov, che attualmente lavora come scienziato preso l'azienda Canon USA.

Mentre lavoravano presso il Centro di Ricerca Ames, della NASA, Ning e Maslov, hanno proposto di usare dei fili semiconduttori ricoperti da un involucro in argento. I due hanno mostrato che una simile struttura era in grado di rimpicciolire i nanolaser fino ad una dimensione incredibilmente piccola. Circa quattro anni fa, lavorando con Martin Hill, ex-professore dell'Università della Tecnologia di Eindhoven, Olanda, Il team ha sviluppato il più piccolo nanolaser al mondo, capace però di operare solo a basse temperature. Due anni fa poi, con l'aiuto di un nuovo studente di Ning, Kang Ding, sono riusciti ad arrivare ad una temperatura operante di 260 Kelvin, cioè circa -13°




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Dettagli della struttura del nanolaser. A destra un'immagine al microscopio elettronico. Credit: Ning et al. 2013

Più recentemente, gli studiosi hanno dimostrato la funzionalità di un dispositivo che è riuscito ad operare a temperatura ambiente, ma il surriscaldamento continuo del LED rendeva imperfette le operazioni eseguite ed una dimostrazione pratica conclusiva rimaneva perciò difficile da ottenere.

I nuovi risultati però, dimostrato un miglioramento di 8 volte rispetto ai risultati dell'anno scorso, fornendo finalmente senza dubbi una dimostrazione della possibilità di eseguire operazioni complesse con un nanolaser elettrico a temperatura ambiente.
Per spiegare quanto è notevole questo grande passo avanti, Ning ha dichiarato: "Immaginate se i computer dovessero essere raffreddati fino a -200°C per funzionare con l'attuale carico di informazione. Se quello fosse il caso, non avremmo alcuna diffusione su larga scala di computer e dei nuovi media."

Con i nanolaser che possono operare a temperatura ambiente ed alimentati da solo una batteria, potremmo costruire una nuova generazione di computer molto più veloci, aumentando significativamente anche tecnologie come per esempio l'internet a banda larga che si basa sulla luce, come la fibra ottica. Oppure fornendo nuove tecnologie per chip di nuova generazione e tecnologie di rilevamento laser.

Un simile balzo in avanti riguardo alle tecnologie che si basano su laser avrà sicuramente anche un grande impatto per la robotica dedicata all'esplorazione spaziale, che con gli anni sta aprendo nuove porte per lo sviluppo di una nuova vasta generazione di nano-robot e nanotech, per esplorare il cosmo a costi molto più ridotti. Inoltre, avere strumenti più piccoli e meno pesanti incide radicalmente anche sul costo di una missione, visto che molto del prezzo riguarda il razzo necessario per sollevare un carico molto grande da Terra.

Ma i benefici dell'arrivare ad una operatività continua a temperatura ambiente vanno anche oltre agli aspetti pratici, spiega Ning: "In termini di scienza fondamentale, questo dimostra per la prima volta che la perdita termica del riscaldamento metallico non è una barriera insormontabile per arrivare ad operazioni a temperatura ambiente con un nanolaser a cavità metallica sotto iniezione eletrica. Per molto tempo, tanti hanno dubitato che una simile operazione forse persino possibile".

"Diversamente dai nanolaser che funzionano grazie all'interazione con un'altro laser, dove il laser iniziale può essere scelto in modo da la generazione di calore sia minimizzata, l'iniezione elettrica tramite batteria produce molto più calore. Inoltre, i metalli tipici possono essere riscaldati rapidamente dall'operazione dei nanolaser. Quindi, una simile generazione elevatissima di calore è stata sempre percepita come una barriera troppo grande per l'operatività di simili nanolaser. Ma più importante ancora, simili strutture metalliche semiconduttrici, usate per i nostri nanolaser, sono attualmente in fase di esplorazione scientifica per moltissime altre applicazioni, come la costruzione di nuovi materiali artificiali (metamateriali) con proprietà nuovissime. Questa dimostrazione è quindi un passo importatissimo per tutti i ricercatori che lavorano a questa nuova area di esplorazione ingegneristica e scientifica."

Ning ha poi ricordato che restano ancora grandi sfide da affrontare prima di riuscire ad integrare perfettamente nanolaser in una piattaforma fotonica su chip, come per esempio riuscire a prolungare la durata di vita di un'operazione laser, e di sviluppare ancora le capacità di questi dispositivi ancora alle prime armi. Inoltre, i meccanismi fisici coinvolti nelle interazioni tra fotoni con strutture metalliche su piccola scala non sono ancora del tutto capite, quindi c'è ancora moltissima ricerca da fare in quest'area.

"Ma grazie alla realizzazione di nanolaser operanti continuamente a temperatura ambiente, tutti questi obbiettivi possono essere finalmente esplorati in maniera più efficace"

http://www.opticsinfobase.org/oe/abstra ... -21-4-4728

http://phys.org/news/2013-03-barrier-ro ... asers.html

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