Una nuova tecnologia a punti quantici permette laser CW più efficienti e compatti, aprendo la strada alla fotonica su chip di nuova generazione
La scoperta che cambierà la fotonica: ecco i quantum dot del futuro.
Un gruppo di ricercatori del Los Alamos National Laboratory ha raggiunto un traguardo importante nella tecnologia dei laser a punti quantici. Per la prima volta sono riusciti a creare un laser che emette luce in modo continuo e con un consumo molto basso, utilizzando punti quantici prodotti in soluzione liquida. Il risultato, pubblicato su Nature Photonics (1), potrebbe aprire la strada a laser compatti, efficienti e facilmente integrabili nei dispositivi fotonici di nuova generazione.
«Questo è un passo tecnico fondamentale che amplia enormemente le possibilità dei materiali nanoscopici creati in soluzione», spiega il dottor Victor Klimov (2), responsabile del team. «Ora possiamo davvero immaginare laser a punti quantici che funzionano in modo stabile, efficiente e in tanti colori diversi, con potenziali applicazioni rivoluzionarie nella fotonica».
Da oltre trent’anni i punti quantici - minuscoli cristalli semiconduttori sospesi in una soluzione - vengono studiati come sorgenti di luce regolabili. Tuttavia, produrre un laser stabile e continuo con questi materiali è sempre stato complicato: servono intensità luminose molto alte, che tendono a surriscaldare e degradare rapidamente il materiale. Il team di Los Alamos è riuscito a superare questo ostacolo grazie a una nuova classe di punti quantici, detti “eterostrutture di tipo I+II”, che combinano i vantaggi di due diverse architetture nanometriche in un unico minuscolo cristallo.
I ricercatori hanno dimostrato che i laser che operano con soglie di potenza basse mostrano un miglioramento significativo rispetto ai precedenti laser CW a punti quantici. «È la prima volta che un sistema colloidale processato in soluzione raggiunge una soglia così bassa sotto eccitazione continua, mantenendo al contempo prestazioni laser stabili», ha dichiarato il dottor Donghyo Hahm, autore principale dello studio e ricercatore postdoc a Los Alamos.
Le eccezionali prestazioni di guadagno dei punti quantici di tipo (I+II) derivano dalla loro struttura elettronica ibrida unica, diretta/indiretta. In questi nanocristalli, un eccitone risiede in una configurazione diretta che irradia in modo efficiente, mentre un altro rimane spazialmente separato, o indiretto, stabilizzando lo stato multicarrier e prolungando il guadagno ottico.
Oltre al lasing CW (Continuous Wave - Onda Continua), il team ha anche dimostrato la versatilità di questi punti quantici di tipo (I+II) realizzando il lasing in altre due architetture di dispositivo: un dispositivo completamente impilato basato su una cavità elettroluminescente, che rappresenta un prototipo di diodo laser a punti quantici, e un laser a microdisco integrato su chip.
Nel loro insieme, questi risultati mostrano una piattaforma di materiali unificata in grado di supportare molteplici applicazioni laser - dall’operazione continua a quella a impulsi ultrarapidi - utilizzando lo stesso design di punti quantici.
«Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo per i nanomateriali colloidali», ha dichiarato il dottor Valerio Pinchetti (3), Director’s Postdoctoral Fellow ed esperto di spettroscopia a Los Alamos. «Rendendo i punti quantici processati in soluzione pronti per il lasing in condizioni di bassa potenza, stiamo colmando il divario tra le dimostrazioni di laboratorio e le tecnologie fotoniche scalabili».
La capacità di ottenere il lasing CW utilizzando semplici diodi laser a basso costo come sorgente di pompaggio apre la strada a una nuova generazione di sorgenti luminose a punti quantici compatte, regolabili ed energeticamente efficienti. Queste potrebbero essere integrate in chip fotonici, interconnessioni ottiche o piattaforme di sensing in cui i tradizionali laser semiconduttori ad alta potenza o fabbricati sotto vuoto risultano impraticabili.
Riferimenti:
(1) Low-threshold lasing from colloidal quantum dots under quasi-continuous-wave excitation
(2) Victor Klimov
Descrizione foto: Trasformando nanomateriali ottenuti tramite processi in soluzione in emettitori pronti per la generazione laser, questa innovazione apre la strada a sorgenti luminose a punti quantici compatte, sintonizzabili ed energeticamente efficienti, che alimenteranno la prossima generazione di tecnologie fotoniche integrate. - Credit: Donghyo Hahm.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Lighting the photonics frontier with engineered quantum dots