Laser a cascata quantica

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Un Laser a cascata quantica è un tipo di laser a semiconduttore che emette radiazioni nella porzione dello spettro elettromagnetico compresa tra il medio e il lontano infrarosso. È stato sperimentato per la prima volta da Jerome Faist, Federico Capasso, Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson e Alfred Cho nei Bell Laboratories nel 1994.

Funzionamento[modifica | modifica sorgente]

Invece di stimolare gli elettroni e le lacune in un semiconduttore ad emettere fotoni coerenti in un unico salto quantico, l'idea alla base consiste nell'obbligare i soli elettroni a farlo in successivi salti di minore energia. A energia minore corrisponde una maggiore lunghezza d’onda; più dell’infrarosso: nei terahertz, quindi. Il fenomeno che coinvolge gli elettroni nei salti quantici all’interno della struttura è più simile ad un effetto domino che ad un effetto valanga. I suoni emessi dalle singole tessere che cadono sono i perfetti analoghi dei fotoni irraggiati dal dispositivo. E proprio come succede con le tessere del domino, un solo elettrone innesca una cascata. Quantica, appunto.

Sono stati inventati altri mezzi per generare fotoni terahertz, ma nessuno è in grado di competere con i QCL in potenza di emissione, elasticità di modulazione e semplicità di costruzione. Si realizzano con le nanotecnologie, tecniche di ingegneria dei materiali che permettono di deporre sottili strati di semiconduttore tramite MBE (Molecular-Beam Epitaxy: epitassia a fascio molecolare), ottenendo in spessori monomolecolari una serie di strati di materiali semiconduttori con energy gap differenti (tipicamente della famiglia AlGaAs/GaAs). Il risultato è una successione di "buche e barriere" energetiche che, con i loro spessori, determinano le posizioni dei livelli permessi. Un laser a cascata quantica può essere costituito da 25-75 stadi di questo tipo. Ciò vuol dire che da un elettrone iniettato nella struttura si possono generare potenzialmente fino a 75 fotoni. Un laser convenzionale, invece, può generare solo un singolo fotone da una coppia elettrone-lacuna. Per questo, un QCL è in grado di fornire potenze fino a due ordini di grandezza superiori ai convenzionali diodi laser.

In regime impulsato, modulando la corrente di alimentazione a temperatura ambiente (300 K), si raggiungono potenze di picco di 0,5 W, mentre in funzionamento continuo alla temperatura dell’azoto liquido (77 K), la potenza estratta è di circa 0,2 W, con interessanti valori di NEP (Noise Equivalent Power). Il laser a cascata quantica, unendo ai vantaggi dei nanodispositivi la tecnica di ingegneria delle bande, si è affermato come una struttura di elevato interesse pratico, che ha permesso di realizzare sorgenti laser affidabili, con emissione nella banda fra 0,5 e 10 THz, evitando materiali semiconduttori di difficile lavorazione, come i sali di piombo.

La sperimentazione sul campo dell’utilità dei QCL ha aumentato notevolmente gli spunti di ricerca per possibili miglioramenti, fino ad ottenere dispositivi di buona potenza, con la possibilità di variare la frequenza emessa semplicemente modulando la corrente di polarizzazione o la temperatura. Dal punto di vista commerciale, è una realizzazione di elevatissimo interesse per le possibili applicazioni in moltissimi campi. Mai come in questo caso rimane valido quanto qualcuno affermò alla nascita del laser: "una soluzione in cerca di problemi". Ormai tutti sanno che un sistema di controllo e sicurezza terahertz è letteralmente in grado di spogliare un individuo senza che questi se ne accorga, mettendo in bella evidenza quanto nascondono i vestiti: lame in ceramica sotto la giacca, esplosivi nei tacchi. Ma anche le telecomunicazioni ottiche veloci nello spazio libero (FSO, Free Space Optics), le indagini cliniche non invasive: è possibile diagnosticare alcuni tipi di cancro del colon (o anche il diabete e l’ulcera) con una semplice analisi del respiro del paziente. E inoltre: la radioastronomia, la spettroscopia ad alta risoluzione, la microscopia, le analisi non distruttive e di certificazione senza radiazioni ionizzanti, contromisure militari... aspettano sistemi che soddisfino esigenze sempre più sofisticate.

L’urgenza maggiore riguarda i sensori, naturalmente. Ne esistono di molto validi: alcune strutture nel campo dei MOSFET; gli HEB (Hot Electron Bolometer), raffinate nanostrutture criogeniche in nitruro di niobio, ampiamente studiati da scienziati del calibro di Gregory Gol'tsman, impiegati ormai da decenni in radioastronomia e nella fisica del plasma dei Tokamak. Rimangono ancora ampiamente coperti da segreto industriale e militare gli amplificatori, filtri, modulatori, trasmettitori, polarizzatori, spettrometri, reticoli dedicati alla banda dei terahertz.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]