Gli ingegneri aprono la strada al prossimo

Il dottorando Len van Deurzen lavora con una configurazione di laboratorio utilizzata per azionare un dispositivo che emette laser nell'ultravioletto profondo.

Gli ingegneri della Cornell hanno creato un laser ultravioletto profondo utilizzando materiali semiconduttori che mostrano grandi promesse per migliorare l'uso della luce ultravioletta per sterilizzare strumenti medici, purificare l'acqua, rilevare gas pericolosi e consentire la fotolitografia di precisione, tra le altre applicazioni.

Quando si tratta di luce ultravioletta, due qualità importanti sono la frequenza – alcune frequenze sono le migliori per distruggere virus o rilevare molecole – e la larghezza di linea, una misura della precisione del laser. Scienziati e ingegneri cercano fonti di emissione di luce ultravioletta di qualità superiore ed efficiente, ma è difficile lavorare con materiali semiconduttori che possano consentire ciò.

Un articolo pubblicato l'11 marzo sulla rivista AIP Advances descrive in dettaglio come gli scienziati della Cornell hanno prodotto un dispositivo basato su nitruro di gallio e alluminio in grado di emettere un laser nell'ultravioletto profondo a lunghezze d'onda e larghezze di linea modali ricercate.

"È noto che si tratta di un materiale adatto, ma si trattava di un problema di sintesi dei materiali", ha affermato Len van Deurzen, uno studente di dottorato in fisica applicata e ingegneristica che ha guidato la ricerca. "La sfida è rendere i materiali sufficientemente puri da essere effettivamente utili e sostenere i requisiti di un laser."

È stata una sfida accettata da van Deurzen durante la pandemia di COVID-19, quando il mercato ha iniziato a crescere per i LED ultravioletti e altri strumenti in grado di rilevare ed eliminare il virus SARS-CoV-2.

"Volevo un progetto di ricerca che potesse avere un impatto", ha detto van Deurzen, "e la pandemia ha davvero amplificato la necessità di dispositivi ultravioletti migliorati".

Sotto la guida degli autori senior dell'articolo, Debdeep Jena e Huili Grace Xing, entrambi professori di scienza e ingegneria dei materiali e di ingegneria elettrica e informatica, il team ha utilizzato l'epitassia a fascio molecolare, una tecnica di crescita dei cristalli, per far crescere un cristallo di alta qualità di nitruro di alluminio.

"Abbiamo bisogno di più strati di nitruro di gallio e alluminio impilati uno sopra l'altro e un parametro importante è la qualità dell'interfaccia tra questi strati", ha affermato van Deurzen. "Possiamo far crescere interfacce molto nitide senza le impurità e le dislocazioni che si formano con altre tecniche di crescita."

La seconda sfida era creare una cavità ottica dagli strati impilati che potesse essere utilizzata per intrappolare la luce emessa e promuovere l’emissione stimolata, necessaria per il laser. La cavità è stata creata sotto forma di un piccolo risonatore su scala micron su un chip di nitruro di alluminio che van Deurzen è stato in grado di sviluppare con l'aiuto della Cornell NanoScale Science and Technology Facility.

"È un vero privilegio poter coltivare i materiali e produrre il chip in due strutture all'avanguardia situate nello stesso edificio", ha affermato van Deurzen, riferendosi a Duffield Hall. "Vai dal terzo piano al seminterrato."

Una volta completato, il laser è stato in grado di raggiungere il picco di guadagno a una lunghezza d'onda di 284 nanometri e larghezze di linea modali dell'ordine di 0,1 nanometri. La larghezza della linea è un ordine di grandezza più precisa rispetto a dispositivi simili e dimostra l'applicabilità del metodo di crescita verso emettitori di luce ultravioletta migliorati.

Il laser ultravioletto profondo della Cornell è pompato otticamente, il che significa che produce determinati requisiti per l'azione laser immettendo fotoni nel dispositivo. Il prossimo passo nella ricerca, secondo Jena, sarà utilizzare la stessa piattaforma di materiali per realizzare un laser azionato dalla corrente elettrica proveniente da una batteria, una fonte di energia più pratica per i dispositivi che emettono luce disponibili in commercio.

"I laser nell'ultravioletto profondo sono senza dubbio l'ultima frontiera dei materiali e dei dispositivi semiconduttori con immensi vantaggi a lungo termine", ha affermato Jena, professore di ingegneria David E. Burr e membro della Facoltà del Sesquicentenario di Richard E. Lunquist. "Eppure è anche il tipo di problema in cui un giovane studente laureato può entrare e avere un impatto immediato."