Stable Continuous-Wave Perovskite Lasers by Harvesting Triplet Excitons
Incorporando perovskiti quasi-2D in una cavità di Fabry–Pérot per stabilire un forte accoppiamento luce-materia, i ricercatori sono riusciti a convertire gli eccitoni di tripletto da un canale di perdita in una risorsa di guadagno, abilitando così il lasing continuo a regime stazionario a temperatura ambiente con alta efficienza e stabilità a lungo termine.
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I laser sono i cavalli di battaglia invisibili della vita moderna, che alimentano tutto, dai cavi a fibra ottica di Internet ai lettori di codici a barre nei supermercati. La maggior parte dei laser odierni è costruita con materiali solidi o gas, ma gli scienziati sognano da tempo di realizzarli partendo da soluzioni simili a liquidi che possano essere stampate o dipinte sulle superfici. Questi materiali "processabili in soluzione", in particolare una classe di cristalli chiamati perovskiti, sono incredibilmente promettenti perché sono economici da produrre e possono essere sintonizzati per emettere luce di quasi ogni colore. Tuttavia, un ostacolo fondamentale ha impedito loro di diventare sorgenti di luce pratiche e continue. All'interno di questi materiali, quando viene generata la luce, si creano due tipi di pacchetti di energia, o eccitoni, in un rapporto fisso: per ogni pacchetto utile, ne vengono creati tre inutili. Questi pacchetti inutili, noti come triplette, sono a lunga durata e agiscono come un ingorgo stradale, finendo per intasare il sistema e uccidere il raggio laser. Questo problema ha reso quasi impossibile mantenere questi laser in funzione in modo costante, specialmente negli ambienti sigillati sottovuoto richiesti per i dispositivi reali.
Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per liberare questo ingorgo, permettendo a un laser a perovskite di funzionare continuamente per oltre un'ora senza svanire. Gli scienziati hanno lavorato con un tipo specifico di cristallo di perovskite che forma naturalmente fogli sottili e stratificati. Hanno posizionato una minuscola scaglia di questo materiale all'interno di una scatola a specchi microscopica, un dispositivo noto come cavità di Fabry–Pérot, che intrappola la luce e la costringe a rimbalzare avanti e indietro migliaia di volte. Regolando attentamente la distanza tra gli specchi, hanno creato una condizione in cui la luce e i pacchetti di energia del materiale sono diventati così strettamente legati da comportarsi come un'unica entità ibrida. Questa forte connessione ha rimodellato il panorama energetico all'interno del cristallo. Invece di rimanere bloccati e accumularsi, i pacchetti di triplette inutili hanno trovato una nuova struttura energetica che forniva un'autostrada veloce e aperta per convertirsi nuovamente in luce utile.
I risultati di questo approccio sono stati drammatici. In una configurazione standard senza questa speciale scatola a specchi, i pacchetti di energia inutili rimarrebbero in sospensione per oltre mille nanosecondi, causando infine l'estinzione del laser. Nel nuovo dispositivo, i ricercatori hanno osservato che questi pacchetti venivano eliminati in soli 75 nanosecondi. Questa rapida pulizia ha impedito l'accumulo che di solito ferma il funzionamento del laser. Di conseguenza, il dispositivo ha ottenuto un fascio di luce stabile e continuo a temperatura ambiente mentre si trovava in un vuoto, una condizione in cui i tentativi precedenti erano falliti. Il laser richiedeva pochissima potenza per avviarsi, necessitando di soli 0,45 watt per centimetro quadrato, e produceva un fascio così stretto da espandersi per meno di due decimi di grado. Ancora più impressionante, quando il team ha lasciato il laser acceso per 3.600 secondi, esso ha mantenuto il 95 percento della sua luminosità originale, dimostrando che il meccanismo era abbastanza robusto per un uso a lungo termine.
Per garantire che non si trattasse solo di un colpo di fortuna con un materiale specifico, il team ha testato la stessa tecnica della scatola a specchi su altri due comuni materiali a base di perovskite. In entrambi i casi, la durata dei pacchetti di energia inutili è diminuita significativamente, confermando che il metodo funziona attraverso diversi tipi di cristalli. I ricercatori hanno anche escluso altre possibili spiegazioni, come il fatto che gli specchi intrappolassero semplicemente meglio la luce o la presenza di ossigeno che aiutasse a eliminare i pacchetti. Hanno dimostrato che senza il rimodellamento energetico specifico fornito dal forte legame tra luce e materia, il laser fallirebbe, anche se gli specchi fossero identici. Lo studio suggerisce che utilizzando questo forte accoppiamento per creare un nuovo percorso per l'energia, gli scienziati possono trasformare un grande meccanismo di perdita in una risorsa. Questa scoperta fornisce una strategia generale per costruire la prossima generazione di laser pompati elettricamente, portando potenzialmente i sorgenti luminose economiche e stampabili più vicine alla realtà.
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