Nanodispositivi a frequenze Terahertz

La ricerca si propone di innovare il settore della fotonica e nano-elettronica terahertz con sviluppi di tecnologie di frontiera.
Di Miriam Serena Vitiello, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Vincitrice del Premio Sapio Innovazione

La regione dello spettro elettromagnetico nella quale si collocano le onde a frequenze Terahertz (30-3000 um di lunghezza d’onda) corrisponde all’intervallo di energie in cui il campo elettromagnetico oscilla con un milione di milioni di cicli al secondo. Una regione che ha come limite inferiore le microonde, le radiazioni, che sono utilizzate ad esempio nella telefonia mobile o nelle comunicazioni con i satelliti , e, come estremo superiore, il lontano infrarosso, una regione di frequenze che, a sua volta, trova applicazioni pratiche in numerosi dispositivi che realizzano funzioni di controllo a distanza. L’utilizzo delle onde THz è oggi di notevole attrattiva industriale. Infatti, alla trasparenza di molte sostanze altrimenti opache nel visibile si unisce la possibilità di identificare e misurare tramite proprietà spettrali caratteristiche, un gran numero di molecole complesse, anche di origine organica.

Allo stesso tempo, la bassa frequenza della radiazione la rende completamente sicura dal punto di vista della salute e ne facilita l’uso in sistemi di raccolta d’immagine, data la bassa incidenza della diffusione in sistemi disomogenei.

Per questi motivi le attuali ricerche scientifiche si focalizzano principalmente sullo sviluppo di applicazioni legate ai controlli di sicurezza (rivelazione di esplosivi, agenti bio-chimici, oggetti metallici, etc.) o in ambiti bio-medicali (diagnostica del DNA, imaging di tessuti epiteliali, controlli di qualità nei processi farmaceutici) o nel monitoraggio di processi industriali (carta, materiali compositi, materie plastiche, aerospaziale, etc.) o nel campo dei beni culturali (analisi stratigrafica non distruttiva di dipinti). Tra i principali utilizzatori delle suddette tecnologie vi sono: l’industria farmaceutica e meccanica (analisi composizionale di preparati farmaceutici, analisi composizionale e strutturale finalizzata al controllo della qualità), gli aeroporti (controlli di sicurezza su passeggeri e bagagli), i centri di smistamento posta (controlli di sicurezza non invasivi di corrispondenza), i sistemi di comunicazione a distanza, i centri di ricerche biomedicali (diagnostiche tumorali).

L’impiego su larga scala delle tecniche di spettroscopia e diagnostica a frequenze Terahertz (THz) è attualmente limitato dalla complessità e dal costo dei sistemi commerciali esistenti. Ragguardevoli progressi sono stati recentemente compiuti sfruttando dispositivi a stato solido, che tuttavia impiegano tecnologie basate su componenti criogenici o offrono prestazioni limitate in termini di velocità e di frequenza. La ricerca scientifica è pertanto attualmente volta all’implementazione di nuovi schemi e tecniche di applicazione per la generazione, manipolazione e rivelazione di impulsi intensi e brevi a frequenze Terahertz. Le ricerche che ho svolto negli ultimi anni si sono poste come obiettivo lo sviluppo di una piattaforma tecnologica abilitante per l'impiego industriale e commerciale della fotonica Terahertz (THz) ultraveloce, mirando all’implementazione di nuovi schemi e tecniche di applicazione per la generazione, manipolazione e rivelazione di impulsi intensi e brevi a frequenze THz.

L’attività di ricerca è stata volta all’implementazione di nuove tecnologie e sistemi di tipo fotonico o nanoelettronico, basate sull’uso di sistemi a stato solido o sull’impiego di materiali di bassissima dimensionalità, mirando a una sostanziale innovazione delle tecnologie Terahertz esistenti. Nello specifico i risultati ottenuti si possono così catalogare:

  1. Sviluppo di assorbitori saturabili basati su inchiostri di grafene. Un assorbitore saturabile è un dispositivo impiegato in alcuni tipi di laser per innescare l’emissione di impulsi di breve durata, grazie al fatto che il suo assorbimento di luce decresce all'aumentare dell'intensità della stessa. Un simile componente ha un grande potenziale per i laser operanti nel lontano infrarosso, a frequenze THz, con applicazioni che vanno dalla spettroscopia “time of flight”, alla ricostruzione ultraveloce di immagini; gli assorbitori saturabili permettono infatti di realizzare sistemi laser ad alta modulazione, in grado di produrre impulsi ultra-brevi, rilevanti per applicazioni che riguardano fenomeni che avvengono su scale di tempo ridotte, come per esempio la spettroscopia risolta nel tempo di gas e molecole, l'informazione quantistica o la trasmissione ultra rapida per le telecomunicazioni. Abbiamo iniziato a studiare assorbitori saturabili operanti a frequenze THz per riuscire a ottenere qualcosa che ancora non esisteva: un laser THz a impulsi ultra-brevi che fosse miniaturizzato e costituito da componenti integrati sottili e flessibili, e che avesse contemporaneamente una efficienza di modulazione (80%) stato dell’arte; la chiave di volta è stato ricorrere al grafene prodotto da esfoliazione meccanica in fase liquida - un metodo potenzialmente adatto a una produzione massiva – che è stato sfruttato per preparare inchiostri, facilmente depositabili, tramite trasferimento su chip o con una stampa a getto di inchiostro anche all’interno di una cavità laser a semiconduttore.
  2. Invenzione del primo interruttore THz ultraveloce (femtosecondi) per onde elettroniche basato sull’uso innovativo di fosforene: un interruttore ultra veloce per le onde elettroniche che potrebbe consentire di accelerare molte volte i futuri dispositivi elettronici. Quando la luce è focalizzata su una punta metallica di pochi nanometri, onde in miniatura si propagano sulla superficie del materiale in modo circolare, partendo dall'apice della punta. Il campo che intende sfruttare questo fenomeno per realizzare futuri dispositivi elettronici compatti e ultraveloci è noto come plasmonica. Finora, però, non si è mai trovato un modo per accendere e spegnere rapidamente tali onde. È quanto nell'elettronica tradizionale viene realizzato dai transistors che passano da uno stato “on” a uno ”off”. La ricerca svolta ha consentito di dimostrare che è possibile realizzare selettivamente uno stato 'on', in cui i plasmoni sono innescati e si propagano attraverso il campione, e uno stato 'off', in cui non sono presenti plasmoni. La chiave è stata non usare un metallo ma un nanomateriale bidimensionale come il fosforene, impilato in una struttura a strati. Nel metallo le onde elettroniche sono sempre presenti, mentre nella suddetta eterostruttura gli elettroni si muovono liberamente solo irraggiando la stessa con intensi impulsi luminosi. Senza questi elettroni non vi sono onde superficiali e la struttura si considera “spenta”. Tuttavia, non appena il primo impulso laser genera gli elettroni liberi, un impulso successivo produce l'onda di plasmoni superficiali dalla punta, consentendo il passaggio a uno stato di “accensione” (stato “on”). Utilizzando un apparato di misura unico a livello mondiale, con risoluzione spaziale e temporale elevatissima, abbiamo misurato tempi di commutazione sulla scala dei femtosecondi, ossia molti ordini di grandezza più veloci rispetto ai transistors esistenti più veloci.
  3. Invenzione dei primi rivelatori THz nanostrutturati basati sull’utilizzo di materiali innovati, come il grafene, il fosforene, eterostrutture van der Waals o isolanti topologici, tutti operanti a temperatura ambiente, con elevato intervallo dinamico e sensibilità, alta frequenza di modulazione (attualmente già > 100 MHz), estendibili (ricerca in corso) a scale di frequenza >10 GHz); rivelatori veloci e dall'ampio intervallo dinamico commercialmente disponibili sono attualmente basati su bolometri "hot-electron" a superconduttore che richiedono temperature criogeniche o componenti elettronici veloci, la cui sensibilità decresce drasticamente a frequenze superiori a 1 THz. Le prestazioni dei suddetti dispositivi hanno già consentito di implementare sistemi di ricostruzione di immagine time of flight ad alta risoluzione che sfruttano le promettenti potenzialità dei meccanismi di fotorivelazione peculiari di questi innovativi materiali.
  4. Invenzione di una nuova classe di laser THz a cascata quantica, basati su strutture a quasi cristallo. Questi risonatori laser coniugano i vantaggi dei laser a cascata quantica - unica sorgente a semiconduttore che consente di progettare interamente mediante design quantistico la frequenza, la larghezza di banda e la larghezza dell'impulso - con i vantaggi di risonatori di simmetria e forma inusuali, che consentono di controllare e guidare i fotoni e rendono al contempo possibile incorporare componenti miniaturizzati passivi in cavità (quali assorbitori saturabili flessibili) per modulare la luce e generare impulsi ultra-brevi. Le ricerche sviluppate apriranno nuovi orizzonti e opportunità di ricerca su argomenti a più lungo termine: acquisizione di “istantanee” di dinamiche ultraveloci; ricostruzione di immagini in regime impulsato in tempo reale; spettroscopia di gas, molecole complesse e atomi freddi; controllo coerente dei sistemi quantistici; ottica quantistica, dove gli impulsi ad alta potenza possono pilotare campioni molecolari fuori dall'equilibrio; metrologia; comunicazioni ultra veloci in cui le onde THz diventeranno sempre più importanti nello sviluppo di sistemi di telecomunicazione a larghezza di banda sempre più elevate.


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