All'Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr Nano) di Pisa è stato realizzato il primo laser a cascata quantica interamente progettato sviluppato e ottimizzato in Italia. Il 'cuore' del laser è composto da oltre 2000 strati di materiale semiconduttore di spessore nanometrico, frutto della collaborazione tra il gruppo di ricerca guidato da Lucia Sorba, esperta nella crescita di nanostrutture, e il team di Miriam Serena Vitiello, esperta nello sviluppo di dispositivi a frequenze terahertz.
I laser a cascata quantica sono laser innovativi per la loro compattezza, efficienza e versatilità. Emettono radiazione a lunghezze d'onda nel lontano infrarosso con estrema precisione, per questo hanno potenzialità uniche nel rilevamento di gas e altre molecole con applicazioni nel monitoraggio ambientale, nel controllo dei processi industriali, nella diagnostica medica. Tuttavia è una tecnologia all'avanguardia che richiede una complessa progettazione e assemblaggio su scala nanometrica, con materiali quantistici costruiti su misura. "In natura, semiconduttori idonei per laser a lontano infrarosso semplicemente non esistono, e occorre creare materiali artificiali", spiega Vitiello.
Per affrontare questa sfida tecnologica le ricercatrici di Cnr Nano, entrambe leader nel loro campo a livello internazionale, hanno sfruttato le tecnologie più avanzate per la crescita ultraprecisa di materiali semiconduttori. In particolare la sofisticata tecnica dell'epitassia da fascio molecolare (MBE - Molecular Beam Epitaxy) installata a Cnr Nano, all'interno del laboratorio Nest della Scuola Normale Superiore, nell'ambito dell'infrastruttura di ricerca PASCQUA del Cnr. "La strumentazione MBE e le tecnologie avanzate di progettazione quantistica e di nanofabbricazione presenti nei nostri laboratori, ci permettono di controllare con estrema precisione lo spessore e la composizione di ogni singolo strato di materiale e di costruire un semiconduttore con un numero di strati compreso tra 1000 e 2000", spiega Vitiello.
Il materiale è stato quindi ingegnerizzato in una laser a cascata quantica che emette nel lontano infrarosso, ovvero alle frequenze terahertz. L'intero complesso di tecnologie ottimizzate per ottenere questi dispositivi, è unico in Italia.
Realizzare internamente all'istituto il cuore del laser a cascata quantica, un processo finora affidato a altri laboratori europei, rappresenta un notevole vantaggio tecnologico per i ricercatori di Cnr Nano. Potranno infatti sviluppare i laser a cascata quantica a frequenza terahertz in modo completamente autonomo, studiarli per migliorane le prestazioni e esplorare le molte importanti ricadute in molti settori, come biomedicale, diagnostica dei tumori, comunicazioni wireless, tecnologie quantistiche.
"Gestire l'intero processo, dalla progettazione alla crescita dei materiali e alla loro ingegnerizzazione in dispositivi laser altamente efficaci, è un traguardo importante che dimostra l'eccellenza della ricerca condotta a Cnr Nano e la capacità di padroneggiare sfide tecnologiche", commenta Lucia Sorba.
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