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Brillano i cristalli fotonici tridimensionali
Per la prima volta, i ricercatori hanno realizzato cristalli fotonici tridimensionali di alta qualità e li hanno utilizzati per realizzare un diodo a emissione di luce (LED) altamente efficiente. I cristalli fotonici tridimensionali promettono di aumentare le prestazioni di quasi tutti i dispositivi ottici, che si tratti di un display, una cella solare o una lampadina efficiente, ma fino ad ora nessuno era stato in grado di realizzarli utilizzando metodi commercialmente validi o materiali lavorabili . I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign stanno ora lavorando su celle solari basate sulle strutture.
Riempimento di cristalli: Questa illustrazione mostra l'arseniuro di gallio (blu) che cresce attorno a un modello per creare un cristallo fotonico tridimensionale.
I cristalli fotonici possono controllare l'assorbimento, l'emissione e il movimento della luce in modo molto preciso in base alla loro struttura. Sono stati un'area di ricerca calda dalla fine degli anni '80. Finora, è stato solo pratico creare cristalli fotonici piatti e bidimensionali. Questi controllano molto bene il movimento della luce in due dimensioni, ma non perfettamente nella terza. Tuttavia, hanno avuto molto successo. Una società chiamata Luxtera , ad esempio, ha sviluppato metodi per costruire interconnessioni ottiche basate su cristalli fotonici direttamente sui chip dei computer. Avvicinare i segnali ottici ai processori dei computer aiuta a velocizzare la trasmissione dei dati e l'utilizzo di cristalli fotonici aiuta a mantenere compatte le dimensioni di questi collegamenti. Luminus si è concentrata sui LED, per i quali i cristalli aiutano a migliorare l'emissione luminosa, rendendo questi dispositivi più luminosi e più efficienti dal punto di vista energetico.
Tuttavia, i cristalli fotonici tridimensionali renderebbero dispositivi ottici ancora migliori. Il vantaggio principale è che puoi davvero controllare la propagazione della luce in tutte le dimensioni, afferma Paul Braun , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois. Braun sta guidando il lavoro sui cristalli fotonici tridimensionali e il suo gruppo sta anche lavorando alla realizzazione di celle solari dai cristalli.
Realizzare queste strutture è complicato. Le strutture dei cristalli fotonici variano, ma sono spesso realizzate praticando fori, barre e altre caratteristiche su scala nanometrica in un materiale. Modellare una lastra piana di materiale con le necessarie strutture su scala nanometrica per creare un cristallo fotonico bidimensionale è un processo relativamente semplice. È molto più difficile ottenere quel tipo di motivo in un pezzo spesso di materiale per creare una struttura tridimensionale senza degradare il materiale. E i tipi di cristalli fotonici più utili, quelli che possono convertire attivamente tra segnali elettrici e ottici, oltre a manipolare con precisione il flusso di luce, sono i più difficili da realizzare perché durante il processo vengono introdotti difetti materiali. Questa conversione luce-elettricità e retromarcia è fondamentale nei LED, nelle celle solari e nelle interconnessioni di dati ottici per l'informatica.
Il gruppo dell'Università dell'Illinois ha realizzato cristalli fotonici tridimensionali di alta qualità facendoli crescere su un modello, dal basso verso l'alto, piuttosto che cercando di introdurre i modelli su scala nanometrica in pezzi di materiale. I ricercatori iniziano creando il modello, pile di sfere in nanoscala imballate. Quindi mettono il modello all'interno di una camera di deposizione di vapore e fluiscono in una serie di gas contenenti gallio e arseniuro. I materiali vengono depositati sul modello e crescono intorno ad esso. È come riempire d'acqua una scatola di palline da ping-pong: il materiale che è colato riempie gli spazi tra le sfere. Quindi rimuovono chimicamente le sfere, lasciando dietro di sé un cristallo fotonico tridimensionale, un pezzo di arseniuro di gallio cristallino pieno di buchi su scala nanometrica.
L'arseniuro di gallio viene utilizzato per realizzare dispositivi ottici come i fotorivelatori, ma prima non era possibile trasformarlo in cristalli fotonici tridimensionali. I ricercatori dell'Illinois non solo sono stati in grado di creare un cristallo fotonico tridimensionale dal materiale, ma sono stati anche in grado di usarlo per creare un LED guidato da una corrente elettrica.
Ho aspettato molto tempo che qualcuno realizzasse ciò che [il gruppo dell'Illinois] ha realizzato, dice Eli Yablanovitch , professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Berkeley. Alla fine degli anni '80, Yablanovitch ha svolto parte del lavoro fondamentale sui cristalli fotonici, avanzando l'idea che alcuni progetti possono emettere luce in un modo molto controllato, utile per i LED.
Yablanovitch dice che è difficile prevedere cosa risulterà da questo lavoro, e quando, perché nessuno ha mai realizzato pratici cristalli fotonici tridimensionali prima. Alcune delle applicazioni più interessanti sono già state riempite da cristalli fotonici bidimensionali, afferma. Se creare cristalli fotonici tridimensionali diventa facile quanto creare le loro controparti piatte già nei prodotti, sarebbero sempre la prima scelta, afferma Yablanovitch.
La tecnologia è probabilmente ancora lontana molti anni dalla commercializzazione, afferma Braun.