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Il laser più piccolo mai realizzato
I ricercatori hanno dimostrato il laser più piccolo di sempre, costituito da una nanoparticella di soli 44 nanometri di diametro. Il dispositivo è soprannominato spaser perché genera una forma di radiazione chiamata plasmoni di superficie. La tecnica consente di confinare la luce in spazi molto piccoli e alcuni fisici ritengono che gli spaser potrebbero costituire la base dei futuri computer ottici proprio come i transistor sono la base dell'elettronica di oggi.
laser minuscolo: Questa simulazione mostra l'intensità della luce attorno a un nuovo tipo di laser, chiamato spaser, quando opera in modalità di produzione di plasmoni. La concentrazione di plasmoni è più intensa nella sfera d'oro che ne costituisce il nucleo. Il cerchio nero interno indica la posizione della sfera, che è rivestita con un guscio di silice incastonato nel colorante, contrassegnata dalla linea nera esterna.
Mentre la migliore elettronica di consumo funziona a velocità di circa 10 gigahertz, Mikhail Noginov , professore di fisica presso il Center for Materials Research presso la Norfolk State University di Norfolk, in Virginia, osserva che i dispositivi ottici possono funzionare a centinaia di terahertz. I dispositivi ottici sono, tuttavia, difficili da miniaturizzare perché i fotoni non possono essere confinati in aree molto più piccole della metà della loro lunghezza d'onda. Ma i dispositivi che interagiscono con la luce sotto forma di plasmoni di superficie possono confinarla in punti molto più ristretti.
Attualmente c'è un grande sforzo, per lo più teorico, verso la progettazione di una nuova generazione di nanoelettronica basata sulla plasmonica, afferma Noginov. A differenza di altri dispositivi plasmonici precedenti, gli spaser sono un elemento attivo in grado di produrre e amplificare queste onde. Noginov ha co-guidato lo sviluppo del nuovo spaser con Ulrich Wiesner della Cornell University e Vladimir Shalaev e Evgenii Narimanov della Purdue University. Il lavoro è descritto oggi sulla rivista Natura .
Lo spaser realizzato da Noginov e dai suoi collaboratori è costituito da una singola nanoparticella di appena 44 nanometri di diametro, con diverse parti che svolgono funzioni analoghe a quelle di un laser convenzionale. In un normale laser, i fotoni rimbalzano tra due specchi attraverso un mezzo di guadagno che amplifica la luce. La luce in uno spaser rimbalza sulla superficie di una sfera d'oro nel nucleo della nanoparticella sotto forma di plasmoni.
La sfida, dice Noginov, è assicurarsi che questa energia non si dissipi rapidamente dalla superficie metallica. Il suo team ha ottenuto questo risultato rivestendo l'oro con uno strato di silice incorporato con colorante. Questo strato funge da mezzo di guadagno. La luce dallo spaser può rimanere confinata come plasmoni o può essere fatta uscire dalla superficie della particella come fotoni nell'intervallo della luce visibile. Come un laser, lo spaser deve essere pompato per fornire l'energia necessaria. Il gruppo di Noginov realizza questo bombardando la particella con impulsi di luce.
La dimensione di un laser convenzionale è dettata dalla lunghezza d'onda della luce che utilizza e la distanza tra le superfici riflettenti non può essere inferiore alla metà della lunghezza d'onda della luce, nel caso della luce visibile, circa 200 nanometri. La bellezza dello spaser è che aggira questa limitazione usando i plasmoni, dice Noginov. Gli spaser potrebbero probabilmente essere realizzati con dimensioni di un nanometro. Più piccolo di quello, spiega Noginov, e la funzionalità delle nanoparticelle si rompe.
Noginov ei suoi collaboratori non sono i primi a realizzare un nanolaser. Questo luglio, i ricercatori guidati da Cun-Zheng Ning , professore di ingegneria elettrica all'Arizona State University, e Martin Hill dell'Università di Eindhoven nei Paesi Bassi hanno creato un nanolaser largo circa 100 nanometri, utilizzando materiali diversi. Il nanolaser di Ning e Hill è stato il primo a superare i limiti di lunghezza d'onda sulla dimensione dei laser. L'opera pubblicata oggi, tuttavia, è il primo esempio di spaser.
Lo spaser funziona circa mille volte più velocemente del transistor più veloce, pur avendo le stesse dimensioni su scala nanometrica, afferma Mark Stockman , professore di fisica alla Georgia State University. Questo apre la possibilità di costruire amplificatori, elementi logici e microprocessori ultraveloci che funzionano circa mille volte più velocemente dei convenzionali microprocessori a base di silicio.
Stockman predisse il phaser nel 2003 con David Bergman , professore di fisica all'Università di Tel Aviv in Israele. La creazione dello spaser, dice Bergman, è un bel lavoro.
È probabile che gli spaser trovino la loro prima applicazione non nell'informatica ottica, ma nei luoghi in cui oggi vengono utilizzati i laser convenzionali, afferma Noginov. In effetti, un'applicazione più a breve termine è nel settore dell'archiviazione di dati magnetici, afferma Sakhrat Khizroev , professore di ingegneria elettrica presso l'Università della California, Riverside, che sta anche sviluppando nanolaser. I supporti magnetici di memorizzazione dei dati utilizzati per i dischi rigidi odierni stanno raggiungendo i loro limiti fisici; un modo per estendere le sue capacità è riscaldare il supporto con punti luminosi molto piccoli durante la registrazione, cosa che potrebbe essere eseguita con nanolaser, afferma Khizroev. Tuttavia, avvertono i ricercatori, qualsiasi applicazione è probabilmente lontana anni.