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Laser solitone: la luce pulsa in un percorso circolare eterno

Laser solitone: la luce pulsa in un percorso circolare eterno

29 gennaio 2024

Alla TU Vienna abbiamo sviluppato con successo un chip semiconduttore che genera segnali infrarossi precisi, basati su un tipo di onda molto speciale, chiamato solitoni.

Piccoli chip in grado di generare luce con proprietà molto specifiche: ce n'è un grande bisogno in molti campi tecnici. In molte applicazioni, come la trasmissione di dati o per i sensori chimici utilizzati, ad esempio, nel monitoraggio ambientale o in medicina, è necessaria soprattutto la luce nella banda degli infrarossi non visibili.

Da molti anni è in corso una ricerca particolarmente intensa di sorgenti luminose compatte in grado di fornire segnali ripetibili ed estremamente accurati. Questa sorgente luminosa è stata ora sviluppata presso l'Università della Tecnologia di Vienna – e in un modo completamente nuovo: vengono utilizzati microchip speciali per generare i cosiddetti solitoni, che sono onde molto speciali che non cambiano forma nel tempo. Questi solitoni possono funzionare in circuiti utilizzando un piccolo laser rotondo e ad ogni ciclo lo stesso segnale ottico viene emesso dal laser. Ciò crea un segnale periodico definito con precisione.

Per raggiungere questo obiettivo è stato necessario sviluppare innanzitutto la teoria del laser necessaria, in una forma che originariamente non era prevista per questo scopo. I risultati dello studio internazionale condotto dall'Università della Tecnologia di Vienna sono stati ora pubblicati sulla rivista specializzata Nature. Alla conferenza hanno partecipato ricercatori dell’Università di Harvard, del Politecnico di Torino, del MIT, dell’Università di Lisbona, del Politecnico di Bari e dell’Università dell’Insubria.

Solitoni – onde di forma fissa

Molto spesso, la forma delle onde cambia nel tempo. Ad esempio, se si lancia una pietra pesante nell'acqua, in un punto ben preciso si formerà un'onda molto visibile, ma poi si dissiperà, si allargherà e si indebolirà fino a scomparire. “Tuttavia, i solitoni sono onde che non cambiano durante la propagazione e mantengono una forma stabile nel tempo”, spiega Benedikt Schwarz, responsabile del progetto di ricerca.

Questo fenomeno è noto da molto tempo: fu descritto per la prima volta nel 1834 dal ricercatore scozzese Scott Russell, il quale, con suo grande stupore, notò un'unica onda in un canale d'acqua che manteneva incrollabilmente la sua forma mentre cavalcava il suo cavallo. Accanto al canale. Anche la sabbia nel deserto può formare onde simili a solitoni: quando il vento spinge la duna, anche dopo aver colpito altre dune, ha la stessa forma di prima.

“Anche la stabilità dimensionale dei solitoni rappresenta un grande vantaggio nella tecnologia laser”, afferma Florian Pillat. “Tuttavia, finora i solitoni sono stati generati solo da onde luminose laser utilizzando configurazioni sperimentali molto complesse. Ora lo stiamo facendo utilizzando una tecnologia che può essere miniaturizzata e può quindi essere utilizzata industrialmente in grandi quantità.”

Cerchio con intersezione

Viene creato un piccolo anello attraverso il quale è possibile creare il solitone della luce laser utilizzando una corrente elettrica, che poi ruota stabilmente in un circuito. Ma in questo circuito c’è anche una diramazione: “Ad ogni ciclo, una parte della luce viene accoppiata a un’altra guida d’onda diritta e lascia il laser”, spiega Florian Pillat.

Ciò crea perdite di energia che devono essere compensate. “Altri gruppi di ricerca hanno tentato di integrare a questo scopo un altro laser esternamente per fornire una luce emessa continua”, spiega Benedikt Schwarz. “Ma è complicato. Bisogna assicurarsi che i tempi siano giusti, e non è più facile miniaturizzare il sistema se si deve installare un laser aggiuntivo nel sistema.”

Quindi il team ha adottato una strategia diversa: la microstruttura era realizzata in materiale otticamente attivo, lo stesso materiale utilizzato per produrre i laser a semiconduttore: l'energia elettrica viene fornita e convertita dal materiale in energia luminosa. Ciò significa che un solitone che corre in cerchio rimane completamente stazionario, anche se appare un blip ad ogni round.

Ricerca teorica complessa

“In teoria, inizialmente non era chiaro se ciò potesse funzionare, perché la teoria del laser necessaria per un tale sistema non esisteva ancora”, afferma Benedikt Schwarz. “Per noi era importante non solo produrre una sorgente di luce solitonica, ma anche essere in grado di spiegare matematicamente con precisione perché e come funziona”.

Durante la ricerca ci siamo finalmente imbattuti nella cosiddetta formula complessa Ginsburg-Landau. In realtà è stato sviluppato per descrivere fenomeni fisici completamente diversi. Vengono utilizzati, ad esempio, per la teoria della superconduttività, per i condensati di Bose-Einstein o per calcolare le transizioni di fase. “Ma il concetto è così generale che si può dimostrare che si applica anche alla nostra tecnologia laser”, afferma Nikola Opacak. “Utilizzando la teoria di Ginsburg-Landau, siamo stati in grado di sviluppare un'accurata descrizione matematica dei solitoni fotonici nella nostra microstruttura. Non solo abbiamo dimostrato sperimentalmente che la nostra tecnica funziona, ma possiamo anche spiegarla e migliorarla a livello teorico.

Laser soliton per sensori chimici

I laser comuni producono luce di un colore definito con precisione, ovvero una lunghezza d'onda molto specifica. Con i laser solitonici le cose vanno diversamente: i loro impulsi luminosi sono costituiti da molte lunghezze d'onda diverse nella gamma degli infrarossi. Questo è esattamente ciò che li rende la fonte di luce ideale per i sensori chimici. Con l'aiuto di più lunghezze d'onda, puoi esaminare un campione per molti componenti diversi. Ogni materiale reagisce alla radiazione infrarossa in modo molto distinto, quindi il passo successivo è utilizzare un laser solitone per costruire un “naso artificiale” in grado di “annusare” più materiali contemporaneamente, ad esempio per rilevare inquinanti ambientali o per scopi medici. scopi. Esami.

Finora ciò ha richiesto sistemi relativamente grandi e complessi. Utilizzando il nuovo laser solitonico, questo può ora essere ottenuto in un modo molto più semplice, tanto che queste tecniche possono essere installate anche in dispositivi di misurazione piccoli e compatti.

Posta originale

N. Opačak et al., solitoni Nozaki-Becky nei laser a semiconduttore, Nature Volume 625, 685 (2024).apre un URL esterno in una nuova finestra

Nota di indagine

Il professor Benedetto Schwarz
Istituto di elettronica a stato solido
Università Tecnica di Vienna
+43 1 58801 36214
benedetto nero@tuwien.ac.at

Dipl.-ing. Floriano Pilat
Istituto di elettronica a stato solido
Università Tecnica di Vienna
+43 1 58801 36215
Floriano Pilat@tuwien.ac.at