Un'antenna inaspettata per le nano-sorgenti luminose

La moderna trasmissione di dati, in cui le informazioni vengono inviate attraverso le fibre ottiche sotto forma di fasci di luce modulati, si basa sulla rapida commutazione e modulazione della luce. Da qualche anno i modulatori di luce sono stati miniaturizzati e integrati nei chip, ma le sorgenti luminose stesse - diodi a emissione luminosa (LED) o laser - sono ancora fonte di problemi per gli ingegneri. I ricercatori dell'ETH di Zurigo, guidati da Lukas Novotny, cattedra di fotonica, insieme ai colleghi dell'Empa di Dübendorf e dell'ICFO - Institute of Photonic Sciences di Barcellona, hanno ora trovato un nuovo meccanismo che potrebbe essere utilizzato per produrre in futuro sorgenti luminose minuscole ma efficienti. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista pagina esternaMateriali naturali pubblicato.

Provare l'inaspettato

"Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo dovuto prima provare l'inaspettato", dice Novotny. Lui e i suoi collaboratori lavorano da diversi anni a sorgenti luminose in miniatura basate sull'effetto tunnel. Gli elettroni possono creare un tunnel tra due elettrodi (in questo caso fatti di oro e grafene), separati da un materiale isolante, secondo le regole della meccanica quantistica. In determinate circostanze - se il processo di tunneling è anelastico, cioè l'energia degli elettroni non si conserva - è possibile produrre luce.

"Purtroppo, il rendimento di queste fonti di luce è basso perché la radiazione è molto inefficiente", spiega il ricercatore post-dottorando Sotirios Papadopoulos. Il problema delle radiazioni è ben noto in altri settori della tecnologia. Nei telefoni cellulari, ad esempio, i chip che generano le microonde necessarie per la trasmissione hanno dimensioni di pochi millimetri. Le microonde stesse, invece, hanno una lunghezza d'onda di circa 20 centimetri e sono quindi quasi cento volte più grandi del chip. Per colmare questa differenza di dimensioni è necessaria un'antenna (anche se nei telefoni moderni non è più visibile dall'esterno). Negli esperimenti condotti dai ricercatori di Zurigo, inoltre, la lunghezza d'onda della luce è molto più lunga della sorgente luminosa.

Semiconduttori fuori dal tunnel di contatto

"Si potrebbe pensare che stessimo deliberatamente cercando una soluzione per l'antenna, ma non è stato così", afferma Papadopoulos. Come altri gruppi prima di loro, i ricercatori hanno studiato strati dello spessore di un atomo di materiali semiconduttori come il disolfuro di tungsteno, che si trovano tra gli elettrodi della barriera a tunnel per generare luce in questo modo. In linea di principio, si potrebbe ipotizzare che la posizione ottimale sia da qualche parte tra i due elettrodi, magari un po' più vicino a uno rispetto all'altro. Invece, hanno provato qualcosa di completamente diverso e hanno posizionato il semiconduttore sopra l'elettrodo di grafene, cioè completamente al di fuori del contatto tunnel.

Sorprendente effetto antenna

Sorprendentemente, questa posizione contraddittoria ha funzionato molto bene. I ricercatori hanno scoperto il perché di questa situazione variando la tensione applicata al contatto di tunnel e misurando la corrente attraverso il contatto di tunnel. Hanno visto una chiara risonanza che corrispondeva a una cosiddetta risonanza di eccitoni del materiale semiconduttore. Gli eccitoni sono costituiti da una buca caricata positivamente, cioè un elettrone mancante, e da un elettrone legato alla buca e possono essere eccitati, tra l'altro, dall'irradiazione luminosa. La risonanza degli eccitoni ha mostrato chiaramente che il semiconduttore non era direttamente eccitato da portatori di carica - dopo tutto, non vi scorrevano elettroni - ma che assorbiva l'energia generata nel contatto a tunnel e poi la emetteva. Si comportava quindi in modo simile a un'antenna.

Applicazione nelle sorgenti di nano-luce

"Tuttavia, questa antenna non è ancora molto buona, poiché nel semiconduttore si creano i cosiddetti eccitoni oscuri e quindi non viene emessa molta luce", ammette Novotny: "Se riusciremo a rendere più efficiente la luce emessa dal semiconduttore, sarà possibile produrre sorgenti luminose di pochi nanometri e quindi mille volte più piccole della lunghezza d'onda della luce che generano". Il fatto che nessun elettrone attraversi il semiconduttore dell'antenna significa che non ci sono gli effetti indesiderati che normalmente si verificano alle interfacce e che possono ridurre l'efficienza. "In ogni caso, abbiamo aperto una porta a nuove applicazioni", afferma Novotny. Valeva quindi la pena di tentare l'inaspettato".