La musica ispira ricercatori scientifici: svolta per i laser terahertz pulsati in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications
Un team di ricercatori dell’Istituto Nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano), Università di Leeds e Università di Regensburg, in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications, dimostra di avere sviluppato una nuova classe di assorbitori saturabili capaci di operare a intensità di saturazione estremamente basse, finora inaccessibili. Tale proprietà inedita permetterà di realizzare laser a cascata quantica THz ultraveloci che potrebbero estendere notevolmente le applicazioni della fotonica terahertz.
La radiazione terahertz (THz) è tra le regioni di frontiera della fotonica trovandosi in un intervallo di frequenze poco sfruttato, tra le microonde e i raggi infrarossi, ma con un enorme potenziale applicativo (dai body scanner negli aeroporti al rilevamento rapido di tracce gassose, alla comunicazione ultraveloce fino alle tecnologie mediche). Molte altre tecnologie potrebbero aggiungersi se si disponesse di laser compatti, i cosiddetti laser a cascata quantica, capaci di generare impulsi ultracorti, un obiettivo ostacolato dalle caratteristiche fisiche intrinseche del dispositivo. Tuttavia, incorporando nel laser un elemento detto assorbitore saturabile, si potrebbero rendere i laser a cascata quantica emettitori di brevi impulsi a frequenze terahertz.
“Un assorbitore saturabile funziona come uno specchio appannato che diventa completamente trasparente quando è colpito da luce sufficientemente intensa”, spiega Miriam Vitiello di Cnr-Nano che ha guidato lo studio, “e viene impiegato per innescare l’emissione di impulsi di breve durata, grazie al fatto che il suo assorbimento di luce cala all’aumentare dell’intensità della luce stessa. Fino ad ora, tuttavia, assorbitori saturabili a frequenze terahertz saturavano a intensità di luce estremamente intense, ben oltre quelle che può fornire un laser a cascata quantica”.
La svolta arriva ora dal team di ricerca formato dai gruppi di Miriam S. Vitiello di Cnr-Nano, Edmund Linfield dell’Università di Leeds e Rupert Huber dell’Università di Regensburg, che ha progettato una classe di assorbitori saturabili capaci di operare a intensità di saturazione basse, finora inaccessibili.
L’idea che ha guidato i ricercatori è la risonanza. La stessa per cui il suono straordinario di un pianoforte Steinway non si deve tanto alle corde, ma all’intera struttura dello strumento, che vibrando in risonanza con il suono lo rinforza. “Abbiamo trasferito questa idea nell’ottica terahertz”, afferma Vitiello, “nei laboratori Nest di Cnr-Nano e Scuola Normale Superiore e progettato un dispositivo microstrutturato composto da uno specchio d’oro e da un reticolo d’oro che insieme funzionano come un corpo risonante per la radiazione terahertz”. “Tali risonanze poi vengono fatte interagire fortemente con gli elettroni di una nanostruttura a semiconduttore che è inglobata nel dispositivo microstrutturato, realizzata dai colleghi di Leeds”.
Per mettere alla prova il nuovo Steiway-terahertz, i ricercatori hanno focalizzato un impulso terahertz ultracorto sull’assorbitore saturabile e grazie a una telecamera a rallentatore estremo, sviluppata a Regensburg, hanno potuto seguire il processo di saturazione sulla scala temporale del femtosecondo – la milionesima parte di un miliardesimo di secondo. “Abbiamo osservato che l’assorbitore è molto più facile da saturare, raggiunge infatti la saturazione per intensità 10 volte inferiori rispetto a quello che si otterrebbe con la sola nanostruttura a semiconduttore ed inoltre satura più velocemente”. “Questi risultati ci entusiasmano”, conclude Vitiello, “ora abbiamo tutti i componenti necessari per costruire laser a cascata quantica ultraveloci con assorbitori saturabili idonei”.
La disponibilità di laser a cascata quantica THz ultraveloci potrebbe estendere notevolmente le applicazioni della fotonica terahertz. Superando la frequenza dei computer attuali addirittura di un fattore 1000, gli impulsi terahertz ultracorti potrebbero diventare la pietra miliare per realizzare una nuova generazione di link ottici per telecomunicazioni. Inoltre si aprirebbero grandi potenzialità nell’analisi chimica e nella diagnostica medica, nonché nella metrologia quantistica. I risultati di questo studio sono un traguardo importante verso questi audaci obiettivi.
Ultrafast terahertz saturable absorbers using tailored intersubband polaritons, Jürgen Raab, Francesco P. Mezzapesa, Leonardo Viti, Nils Dessmann, Laura K. Diebel, Lianhe Li, A. Giles Davies, Edmund H. Linfield, Christoph Lange, Rupert Huber & Miriam S. Vitiello , Nat Commun 11, 4290 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18004-8
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