Continua la gara per superare i record di potenza dei laser a cascata quantica, i cosiddetti “laser Terahertz”. È di questi giorni l’annuncio che un gruppo di ricercatori dell’Università di Leeds ha preso il comando della volata per la costruzione del più potente laser Terahertz del mondo: il team inglese ha superato una potenza di uscita di 1 watt da un terahertz laser a cascata quantica, raddoppiando i limiti fissati lo scorso anno dai fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e successivamente da un gruppo della Technische Universität (TU) di Vienna. Il laser a cascata quantica è un tipo di laser a semiconduttore che emette onde elettromagnetiche nella zona dello spettro compresa tra il medio e il lontano infrarosso, quindi in una gamma di lunghezze d’onda che va da qualche micron a qualche centinaia di micron: tradotto in unità di frequenza, si va da qualche centinaia di Gigahertz fino a un centinaio di Terahertz (dove Giga sta per un miliardo e Tera per mille miliardi).
Un sistema di questo tipo è stato sperimentato per la prima volta nei celebri Bell Laboratories nel 1994, da un gruppo comprendente anche gli italiani Federico Capasso e Carlo Sirtori. Le onde con frequenze dei Terahertz sono ovviamente invisibili, ma sono molto interessanti e utili: possono penetrare molti materiali opachi alla luce visibile e sono ideali per rilevare una varietà di molecole. Radiazioni Terahertz possono essere prodotte utilizzando appunto dei laser a cascata quantica, molto piccoli, praticamente di pochi millimetri di larghezza. Si tratta di un particolare tipo di laser consistente in una serie di strati di materiali semiconduttori organizzati su scala nanometrica. Per gli elettroni in ogni strato sono ammessi solo certi precisi livelli energetici; se viene applicata la giusta corrente elettrica, gli elettroni saltano da strato a strato, emettendo in ogni fase energia sotto forma di luce: in tal modo possono essere prodotte radiazioni Terahertz con alta efficienza. Molte molecole assorbono luce di questa regione spettrale in modi caratteristici, tali da essere considerati come una sorta di “impronta ottica”.
È per questo che le radiazioni Terahertz possono essere utilizzate per i rivelatori chimici; ma giocano un ruolo importante anche per l’imaging medico, considerando che sono radiazioni non ionizzanti: la loro energia è notevolmente inferiore a quello delle radiazioni roentgen e quindi non sono pericolose. D’altra parte, la loro lunghezza d’onda è più corta di quella delle microonde, il che significa che possono essere utilizzate per creare immagini ad alta risoluzione. Queste loro applicazioni richiamano alla memoria, in qualche misura, il mitico “Tricorder” di Star Trek, lo strumento analitico portatile un multi-purpose col quale il dottor Scott faceva il check-up completo all’equipaggio della Enterprise.
Da tempo vari gruppi di ricercatori si ingegnano per cercare di per aumentare la potenza di questi chip laser. Un possibile modo è di usare più strati semiconduttori: un numero maggiore di strati significa che l’elettrone cambia molto i suoi stati di energia quando passa attraverso la struttura e quindi il numero di fotoni emessi aumenta. La produzione di strutture multistrato però è estremamente difficile; si tratta quindi di trovare le tecniche più adeguate per realizzarla in modo efficace. La notizia del nuovo record di potenza è riportata in un articolo sulla rivista Electronics Letters, organo dell’Institution of Engineering and Technology (IET), dove Edmund Linfield, professore di “Terahertz Electronics” alla Scuola di Elettronica e Ingegneria Elettrica dell’Università di Leeds, descrive le soluzioni adottate: «Il processo di produzione di questi laser è straordinariamente delicato. Strati di diversi semiconduttori, come l’arseniuro di gallio, sono costruiti un monostrato atomico alla volta; controlliamo lo spessore e la composizione di ogni singolo strato molto accuratamente e costruiamo un materiale semiconduttore avente tipicamente tra i1.000 e i 2.000 strati. Il vantaggio del nostro nuovo laser è dovuto al know-how che abbiamo sviluppato a Leeds nella fabbricazione di questi semiconduttori a strati, unitamente alla nostra capacità di ingegnerizzare poi questi materiali per realizzare dispositivi laser idonei e potenti».
Una potenza che ha letteralmente stracciato, in termini sportivi, i record precedenti. Nell’ottobre 2013 il gruppo della TU di Vienna aveva annunciato il raggiungimento di una potenza di uscita di 0,47 watt da un singolo chip laser; era quasi il doppio della potenza di uscita corrispondente al record precedentemente detenuto dal team del MIT. Ora gli scienziati di Leeds hanno ormai raggiunto una produzione di oltre 1 watt su un singolo chip laser. Per chi pensa subito alle potenziali applicazioni, i ricercatori elencano alcuni ambiti comprendenti: monitoraggio di prodotti farmaceutici, telerilevamento delle “impronte” chimiche di esplosivi contenuti in pacchi o lettere, rilevamento non invasivo di tumori nel corpo umano. e altro ancora.