Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
Questo articolo dimostra un laser a feedback distribuito sintonizzabile a temperatura ambiente utilizzando fosforo nero integrato su reticoli fotonici in silicio, raggiungendo basse soglie di lasing sotto eccitazione al nanosecondo e offrendo una piattaforma promettente per l'integrazione eterogenea con la fotonica in silicio.
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La luce che viaggia nel mezzo dello spettro dell'infrarosso è uno strumento potente per vedere l'invisibile. Questa specifica banda di luce, che si trova appena oltre ciò che l'occhio umano può vedere, attraversa l'atmosfera con facilità e interagisce fortemente con i legami chimici delle molecole. Per questo motivo, scienziati e ingegneri cercano da tempo fonti affidabili di questa luce per rilevare gli inquinanti nell'aria, diagnosticare malattie attraverso l'analisi del respiro o comunicare dati senza fili su lunghe distanze. Per decenni, i dispositivi che generano questa luce sono stati difficili da gestire. Sono tipicamente costruiti con complessi strati di diversi materiali cristallini che devono essere coltivati insieme con precisione atomica. Sebbene questi laser tradizionali funzionino bene, i loro rigidi requisiti di produzione rendono difficile combinarli con i chip di silicio che alimentano la nostra moderna elettronica. Per colmare questo divario, i ricercatori si sono rivolti a una nuova classe di materiali: sottili fogli flessibili di atomi che possono essere staccati e posizionati su quasi ogni superficie, proprio come un adesivo, senza la necessità di adattarsi perfettamente alla struttura cristallina sottostante.
Tra questi materiali simili a fogli, il fosforo nero è emerso come un candidato particolarmente promettente per la generazione di luce medio-infrarossa. A differenza di molti altri materiali che funzionano solo in un intervallo ristretto, il fosforo nero può essere sintonizzato per emettere luce a diversi colori semplicemente cambiando il suo spessore. Tuttavia, trasformare questo materiale in un laser pratico è stata una sfida. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che il fosforo nero poteva produrre luce laser, ma solo quando colpito da impulsi di energia estremamente brevi e intensi che durano solo quadrilionesimi di secondo. Questi impulsi fugaci creano uno stato caotico e a breve durata di particelle eccitate che è difficile da sostenere. Per passare a un dispositivo del mondo reale, i ricercatori avevano bisogno di dimostrare che il fosforo nero potesse emettere luce laser in condizioni più gestibili, specificamente con impulsi che durano mille volte più a lungo, più vicini a ciò che l'elettronica standard può gestire.
Un team di ricercatori della Polytechnique Montréal ha ora dimostrato esattamente questo. Hanno costruito un laser utilizzando una sottile scaglia di fosforo nero posizionata direttamente sopra un reticolo di biossido di silicio, una superficie incisa con creste microscopiche. Questo reticolo agisce come uno specchio che intrappola la luce all'interno del sottile foglio, costringendola a rimbalzare avanti e indietro finché non accumula abbastanza energia per sfuggire sotto forma di un fascio focalizzato. Allineando attentamente la struttura cristallina del fosforo nero con le creste del reticolo, il team è riuscito a guidare la luce in modo efficiente. Quando hanno colpito il dispositivo con un impulso laser della durata di un miliardesimo di secondo, il fosforo nero ha risposto emettendo un fascio di luce stretto e nitido nella gamma del medio infrarosso. Il colore di questa luce non era fisso; utilizzando scaglie di diversi spessori, i ricercatori potevano sintonizzare l'uscita su lunghezze d'onda comprese tra 3,79 e 4,05 micrometri, coprendo una finestra vitale per le applicazioni di rilevamento.
Le prestazioni di questo nuovo laser sono state impressionanti, specialmente per quanto riguarda la quantità di energia necessaria per avviarlo. A temperatura ambiente, il dispositivo ha iniziato a emettere luce laser con un'energia di pompaggio di soli 0,25 millijoule per centimetro quadrato. Questa è una soglia eccezionalmente bassa, il che suggerisce che il materiale sia altamente efficiente nel convertire l'energia in luce. Quando i ricercatori hanno raffreddato il dispositivo a 110 Kelvin, l'energia necessaria per avviare il laser è scesa di dieci volte, a 0,015 millijoule per centimetro quadrato. Questo drammatico miglioramento indica che la capacità del materiale di generare luce è limitata dal calore e dalle interazioni tra le particelle a temperatura ambiente, ma che esso funziona eccezionalmente bene in un ambiente più freddo. Lo studio ha anche rivelato che lo spessore della scaglia di fosforo nero gioca un ruolo critico; le scaglie più spesse intrappolavano la luce in modo più efficace, il che aiutava ad abbassare l'energia necessaria per raggiungere lo stato laser.
Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nello sviluppo di sorgenti luminose compatte e integrate. Dimostrando che il fosforo nero può generare luce laser sotto eccitazione al nanosecondo, i ricercatori hanno avvicinato il materiale alle condizioni necessarie per l'operatività elettrica, dove una corrente costante alimenterebbe il dispositivo invece di un laser esterno. La capacità di integrare questi laser direttamente sui chip di silicio senza una complessa crescita cristallina apre la strada a una nuova generazione di sensori e strumenti di comunicazione. Sebbene gli attuali esperimenti si affidino al pompaggio ottico, le basse soglie di energia raggiunte qui suggeriscono che una versione completamente elettrica di questo laser è una possibilità realistica, portando potenzialmente il potere del rilevamento medio-infrarosso a una gamma molto più ampia di tecnologie quotidiane.
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