Lasing al limite

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Il concetto di soglia laser può essere ben illustrato con un contenitore forato: solo quando la potenza di pompaggio è così elevata da compensare le perdite, si verifica l'emissione di luce laser. Nel cosiddetto nanolaser, è stato possibile ridurre significativamente le perdite e quindi anche la soglia laser, tra l'altro, grazie alla riduzione estrema delle dimensioni. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

Quanto può essere piccolo ed efficiente dal punto di vista energetico un laser? La ricerca del nanolaser definitivo per la tecnologia dell'informazione del futuro occupa gruppi di ricerca in tutto il mondo.

Nel quadro di una cooperazione internazionale, è riuscito al Prof. Dr. Stephan Reitzenstein dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido presso il TU di Berlino e ai suoi partner di progetto non solo costruire un nanolaser estremamente piccolo ed altamente efficiente, ma anche dimostrare per la prima volta le sue caratteristiche laser attraverso la misurazione quantistica della statistica di emissione.

„L'efficienza energetica non riguarda solo i produttori di auto elettriche, ma è anche un tema nella cosiddetta ‚On-Chip-Photonics’, cioè i microchip in cui il trasferimento e l'elaborazione dei dati avviene sempre più sulla base della luce“, spiega il Prof. Stephan Reitzenstein. „La particolarità dei futuri nanolasers è che operano nel passaggio verso l'ottica quantistica, cioè nel campo dei singoli quanti di luce, chiamati fotoni.“ In pratica ciò significa: non è solo molto difficile produrre tali nanolasers. La sfida principale consiste anche nel dimostrare in modo inequivocabile l'emissione laser.

La luce laser si genera generalmente in un cosiddetto risonatore ottico, quando viene fornita energia sufficiente al mezzo laser al suo interno. Il problema: l'energia fornita, chiamata potenza di pompaggio, deve superare un certo limite – la soglia laser – affinché il mezzo laser emetta non solo luce, ma luce laser.

„Questo perché, inizialmente, la maggior parte dell'energia fornita viene convertita in fotoni senza che questi vengano effettivamente immessi nel raggio laser. Nei laser a semiconduttore convenzionali, come quelli presenti in ogni lettore CD o DVD, solo uno su centomila fotoni viene effettivamente immesso nel raggio laser. Tutti gli altri fotoni vengono persi. Solo quando la potenza di pompaggio compensa queste perdite, si può generare luce laser“, spiega il Prof. Reitzenstein, che paragona il fenomeno a un secchio bucato: „Il secchio bucato rappresenta il risonatore. Il tubo dell'acqua, con cui riempiamo il secchio, è paragonabile alla sorgente di pompaggio che riempie il risonatore di fotoni. L'obiettivo è raggiungere un certo livello nel secchio, simbolo della soglia laser. Tuttavia, attraverso molti piccoli fori nel secchio, l'acqua scorre via continuamente – così come i fotoni escono ripetutamente dal risonatore senza entrare nella modalità laser. Perciò, l'apporto d'acqua deve superare un certo limite (quantità d'acqua/tempo) affinché il livello dell'acqua raggiunga il livello desiderato (soglia laser). Se si vuole costruire un nanolaser efficiente dal punto di vista energetico con soglia bassa, il risonatore deve essere il più piccolo e compatto possibile. Nel caso limite di un nanolaser senza soglia, si riesce praticamente a "chiudere tutti i fori", in modo che ogni fotone immesso venga immesso nella modalità laser.”

Ciò è stato possibile grazie a una riduzione estrema delle dimensioni del risonatore. La larghezza di questo nanolaser studiato qui è di circa 200 nm. Per confronto: il diametro di un capello umano è di circa 60.000 nm (un nanometro [1 nm] = un milionesimo di millimetro). „La struttura ad alta precisione del risonatore porta a un'efficacia superiore a 7 fotoni su 10 forniti (e non solo uno su centomila come in un laser normale) per il funzionamento del laser. „Siamo già molto vicini al laser senza soglia definitiva”, spiega Stephan Reitzenstein.

Per la caratterizzazione del nanolaser sono stati utilizzati rivelatori altamente sensibili e metodi analitici complessi: così, con un esperimento quantistico, si determina la statistica dei fotoni dell'illuminazione emessa, che è caratteristica dell'emissione laser. Solo grazie a questa configurazione complessa si è riusciti per la prima volta a dimostrare in modo inequivocabile che la luce proveniente dal nano risonatore è effettivamente luce laser e non semplicemente un diodo a emissione luminosa.

„In particolare, dimostriamo che i criteri di ‚lasing’ stabiliti per i nanolasers perdono importanza e che la luce laser può essere dimostrata solo attraverso metodi quantistici“, spiega Stefan T. Jagsch, che come dottorando di Prof. Reitzenstein ha condotto le operazioni sperimentali di punta.

Il lavoro è stato realizzato nell'ambito di un progetto di terzi finanziamenti sostenuto dalla DFG e dal Fondo Nazionale Svizzero (SNF), in stretta collaborazione con gruppi leader nel campo della lavorazione dei semiconduttori (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale di Losanna), teoria del nanolaser (Dr. Christopher Gies e Prof. Frank Jahnke, Università di Brema) e caratterizzazione di nitruri di semiconduttori (Prof. Axel Hoffmann, TU di Berlino). È stato pubblicato nell'attuale numero della rinomata rivista open access Nature Communications.

*Pubblicazione: S. T. Jagsch, N. Vico Triviño, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I. M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Butté, C. Gies, A. Hoffmann, N. Grandjean, S. Reitzenstein, A quantum optical study of thresholdless lasing features in high-β nitride nanobeam cavities, Nat. Commun. 9, 564 (2018).
DOI:10.1038/s41467-018-02999-2