Assorbitori terahertz a base di grafene

Ricercatori dell'Istituto Nanoscienze del Consiglio Nazionale delle Ricerche in collaborazione con l'Università di Cambridge, nell'ambito del progetto Graphene Flagship, hanno dimostrato che è possibile creare un assorbitore saturabile per laser Terahertz utilizzando grafene. Il grafene è ottenuto da esfoliazione meccanica di grafite in fase liquida poi depositato tramite “scrittura a getto di inchiostro” al pari di quella di una stampante. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, descrive un assorbitore saturabile per laser Terahertz capace di una modulazione di assorbimento di un ordine di grandezza maggiore rispetto ai dispositivi prodotti finora.

Un assorbitore saturabile è un dispositivo impiegato in alcuni tipi di laser per innescare l’emissione di impulsi di breve durata, grazie al fatto che il suo assorbimento di luce cala all'aumentare dell'intensità della luce stessa. Un simile componente ha un grande potenziale per i laser operanti nel lontano infrarosso, a frequenze Terahertz (THz - un milione di milioni di oscillazioni al secondo), con applicazioni che vanno dalla spettroscopia all'imaging. Permettono infatti di realizzare sistemi laser ad alta modulazione in grado di produrre impulsi ultra-brevi aprendo a numerose prospettive in applicazioni che riguardano fenomeni che avvengono su scala di tempo ridotte, come per esempio la spettroscopia risolta nel tempo di gas e molecole, l'informazione quantistica o la trasmissione ultra rapida per le telecomunicazioni.

“Abbiamo iniziato a studiare assorbitori saturabili nel range Terahertz per riuscire a ottenere qualcosa che ancora non esisteva: un laser THz a impulsi ultra-brevi che fosse miniaturizzato e costituito da componenti integrati sottili e flessibili, e che avesse contemporaneamente una buona modulazione”, spiega Miriam Vitiello del Cnr-Istituto Nanoscienze di Pisa, che ha coordinato lo studio. "L'assorbitore al grafene si è dimostrato capace di modulare l’assorbimento di radiazione in un micro-laser a cascata quantica fino a valori dell’ 80%”. "

"Il grafene è un candidato promettente per realizzare assorbitori saturabili compatti e di facile integrabilità grazie alla sua intrinseca mancanza di banda proibita, che rende ad ampia banda il suo spettro di assorbimento e le sue dinamiche di rilassamento di energia ultraveloci", oltre ad essere facilmente fabbricabile ed integrabile nei sistemi laser ad impulsi ultra-brevi operanti nel lontano infrarosso, come dimostrato dai ricercatori dell'Università di Cambridge. I ricercatori hanno impiegato grafene prodotto da esfoliazione meccanica in fase liquida - un metodo potenzialmente adatto a una produzione massiva - per preparare inchiostri che sono stati facilmente depositati tramite trasferimento su chip o con una stampa a getto di inchiostro.

Laser Terahertz a impulsi ultra-brevi della tipologia "mode-locked" come quelli potenzialmente realizzabili a partire da questo studio possono avere applicazioni interessanti. Spiega Vitiello: “Possono essere utilizzati nella diagnostica medica di tipo time-of-flight - o nelle metodiche diagnostiche di screening preventivo per il riconoscimento di tessuti tumorali superficiali, data il ridotto potere di penetrazione della radiazione Terahertz. Altri ambiti sono la caratterizzazione non invasiva di biomolecole, farmaci e tessuti e nella mappatura del DNA, così come la spettroscopia risolta nel tempo di gas, molecole complesse, le moderne tecnologie di computazione quantistica, fino al settore delle telecomunicazioni, dove la radiazione a frequenze THz diventerà sempre più importante nella ricerca sulle trasmissione di dati su più ampia banda.

L’esperimento, coordinato da Miriam Vitiello nell'ambito dell'ERC Consolidator Grant SPRINT e del progetto Flagship Graphene, è frutto della collaborazione tra Istituto Nanoscienze del Cnr (presso laboratorio NEST e Scuola Normale Superiore), Cambridge Graphene Center e Università di Leeds.

Terahertz saturable absorbers from liquid phase exfoliation of graphite. V. Bianchi, T. Carey, L. Viti, L. Li, E. H. Linfield, G. Davies, A. Tredicucci, D. Yoon, P. G. Karagiannidis, L. Lombardi, Tomarchio, A. C. Ferrari, F. Torrisi, M. S. Vitiello; Nature Communications 8, 15763 (2017).

Link utili
http://www.nano.cnr.it
http://graphene-flagship.eu
https://www.nature.com/articles/ncomms15763