Un laser potenziato dal grafene apre una nuova era nell’emissione ottica, superando i limiti imposti dai semiconduttori tradizionali.
Il risultato arriva dal Cnr-Nano di Pisa, dove è stato realizzato il primo laser compatto capace di raggiungere i 10 terahertz, una frequenza fino a oggi considerata inaccessibile. Lo studio è stato pubblicato su Nature Nanotechnology, che ha dedicato la copertina dell’ultimo numero a questo traguardo italiano.
Un laser compatto nella “banda proibita” dei terahertz
Per la prima volta un laser a semiconduttore è riuscito a emettere luce nella fascia tra 9 e 10 THz, la cosiddetta terahertz gap, un’area dello spettro elettromagnetico finora irraggiungibile. Il successo è frutto della collaborazione tra il Cnr-Nano di Pisa, l’Università di Leeds e il Cambridge Graphene Centre.
La chiave dell’innovazione è l’integrazione nel laser di una griglia di micro-nastri di grafene, capace di amplificare la radiazione interna e spingerla verso frequenze più elevate. Il grafene, materiale bidimensionale dalle proprietà eccezionali, ha permesso di oltrepassare la soglia fisica che limita i laser a cascata quantica.
Perché i laser tradizionali non possono superare i 6–10 THz
I laser a cascata quantica sono ottimi generatori di radiazione terahertz, ma tra 6 e 10 THz la radiazione viene assorbita fortemente dai materiali semiconduttori – in particolare dall’arseniuro di gallio. Questo fenomeno impedisce l’amplificazione della luce e rende impossibile il funzionamento del laser in questa regione, bloccando lo sviluppo di sorgenti compatte fondamentali per:
- spettroscopia avanzata
- sensoristica chimica e atmosferica
- comunicazioni di nuova generazione
- ricerca astronomica
Il grafene come “trampolino ottico”: il salto alla terza armonica
La squadra guidata da Miriam Serena Vitiello e Alessandra Di Gaspare ha risolto il limite introducendo un reticolo di grafene sulla superficie del laser.
“Il reticolo di grafene amplifica il campo elettrico del laser e innesca la generazione della terza armonica: la radiazione a 3,3 THz viene triplicata fino a raggiungere i 9–10 THz”, spiega Vitiello.
Il grafene si comporta quindi come un trampolino ottico che rilancia la luce oltre il limite imposto dai semiconduttori, permettendo un “triplo salto” di frequenza mai ottenuto prima in un laser compatto.
Applicazioni scientifiche e industriali
La potenza attuale del laser non è elevata, ma già sufficiente per applicazioni che richiedono sensibilità estrema, ad esempio:
- monitoraggio atmosferico
- analisi spettroscopiche per l’astronomia
- studi di materiali avanzati
Ma soprattutto, questa tecnologia apre la strada a una nuova generazione di sorgenti terahertz compatte, in grado di coprire l’intero intervallo 1,2–12 THz, oggi impossibile da raggiungere con un unico dispositivo.
Ricerca italiana in prima linea
Il progetto è stato sviluppato presso il laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore, con:
- Università di Leeds (crescita del semiconduttore)
- Cambridge Graphene Centre (grafene ad alta qualità)
Il lavoro è finanziato dal programma europeo Horizon 2020 – EXTREME IR.
Questo laser al grafene rappresenta un passo storico per la fotonica terahertz. Dimostra come il grafene possa trasformare un limite intrinseco della fisica dei semiconduttori in un’opportunità tecnologica, aprendo scenari inediti nella sensoristica, nella sicurezza, nelle telecomunicazioni ultraveloci e nell’esplorazione scientifica.
