Lasing al limite

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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 interessa gruppi di ricercatori in tutto il mondo.

Nel quadro di una collaborazione internazionale, il Prof. Dr. Stephan Reitzenstein dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido presso la TU Berlino e i suoi partner di progetto sono riusciti non solo a costruire un nanolaser estremamente piccolo ed altamente efficiente, ma anche a dimostrare per la prima volta le sue caratteristiche laser attraverso la misurazione quantistica delle statistiche di emissione.

„L'efficienza energetica non interessa 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 avvengono sempre più sulla base della luce“, spiega il Prof. Stephan Reitzenstein. „La particolarità dei futuri nanolaser è che operano nel passaggio verso la quantistica ottica, cioè nel campo dei singoli quanti di luce, chiamati fotoni.“ In pratica, ciò significa: non è solo molto difficile produrre tali nanolaser. 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 immessi nel raggio laser previsto. Nei laser a semiconduttore comuni, 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, può nascere la luce laser“, spiega il Prof. Reitzenstein, che paragona il fenomeno a un secchio bucato: „Il secchio bucato simboleggia 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 molte piccole aperture nel secchio, l'acqua scorre via continuamente – così come i fotoni escono continuamente dal risonatore senza entrare nella modalità laser. Perciò, il rifornimento 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 una soglia bassa, il risonatore deve essere il più piccolo e compatto possibile. Nel caso limite di un nanolaser senza soglia, si riesce praticamente a "sigillare tutti i buchi", 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 del 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 di alta precisione del risonatore porta a un'efficienza media di più di 7 fotoni su 10 forniti (e non solo uno su centomila come in un laser normale) per il funzionamento laser.“ Con questo, siamo già molto vicini al laser senza soglia definitivo”, 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 del fascio emesso, che è caratteristica dell'emissione laser. Solo grazie a questa configurazione complessa si è potuto dimostrare per la prima volta in modo inequivocabile che la luce proveniente dal nanorisonatore è effettivamente luce laser e non semplicemente un diodo a emissione luminosa.

„In particolare, dimostriamo che i criteri di ‚lasing’ stabiliti per i nanolaser perdono importanza e che la luce laser può essere dimostrata solo quantisticamente“, spiega Stefan T. Jagsch, che come dottorando di Prof. Reitzenstein ha condotto principalmente le attività sperimentali. 

Il lavoro è stato realizzato nell'ambito di un progetto di terzi finanziamenti promosso 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 de Lausanne), teoria del nanolaser (Dr. Christopher Gies e Prof. Frank Jahnke, Università di Brema) e caratterizzazione dei nitruri di semiconduttori (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlino). I risultati sono stati pubblicati nell'attuale numero della rinomata rivista open access Nature Communications.