Nanolaser elettrici ancora più piccoli

Il nuovo nanolaser di polaritoni plasmoni di superficie o PPS apre nuove strade in diverse aree di applicazione, che vanno dalla comunicazione ottica a banda ultralarga su un chip alla fotonica non lineare a bassa potenza, alla nanospettroscopia coerente e al biosensing a singola molecola.

I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e del King's College di Londra hanno eliminato l'ostacolo che aveva impedito la creazione di nanolaser azionati elettricamente per circuiti integrati. L'approccio, riportato in un recente articolo su Nanophotonics, consente di progettare una sorgente di luce coerente su scala non solo centinaia di volte inferiore allo spessore di un capello umano, ma anche inferiore alla lunghezza d'onda della luce emessa dal laser. Questo pone le basi per il trasferimento ottico ultraveloce dei dati nei microprocessori manycore che dovrebbero emergere nel prossimo futuro.

I segnali luminosi hanno rivoluzionato le tecnologie dell'informazione negli anni '80, quando le fibre ottiche hanno iniziato a sostituire i fili di rame, rendendo più veloce la trasmissione dei dati di ordine di grandezza. La comunicazione ottica basata sulla luce - onde elettromagnetiche con una frequenza di diverse centinaia di terahertz - consente di trasferire terabyte di dati ogni secondo attraverso una singola fibra, superando di gran lunga le interconnessioni elettriche.

La fibra ottica è alla base del moderno Internet, ma la luce potrebbe fare molto di più per noi. Si potrebbe azionare anche all'interno dei microprocessori di supercomputer, workstation, smartphone e altri dispositivi. Ciò richiede l'utilizzo di linee di comunicazione ottica per interconnettere i componenti puramente elettronici, come i core del processore. Di conseguenza, enormi quantità di informazioni potrebbero essere trasferite attraverso il chip quasi istantaneamente.

L'eliminazione della limitazione sulla trasmissione dei dati consentirà di migliorare direttamente le prestazioni del microprocessore impilando più core del processore, al punto da creare un processore da 1.000 core che sarebbe praticamente 100 volte più veloce della sua controparte a 10 core, che viene perseguito dai giganti del settore dei semiconduttori IBM, HP, Intel, Oracle e altri. Questo a sua volta renderà possibile progettare un vero supercomputer su un singolo chip.

La sfida è collegare l'ottica e l'elettronica su scala nanometrica. Per ottenere ciò, i componenti ottici non possono essere più grandi di centinaia di nanometri, che è circa 100 volte più piccoli della larghezza di un capello umano. Questa restrizione dimensionale si applica anche ai laser su chip, necessari per convertire le informazioni dai segnali elettrici agli impulsi ottici che trasportano i bit dei dati.

Tuttavia, la luce è un tipo di radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda di centinaia di nanometri. E il principio di indeterminazione quantistica dice che esiste un certo volume minimo in cui possono essere localizzate particelle di luce, o fotoni. Non può essere più piccolo del cubo della lunghezza d'onda. In parole povere, se si fa un laser troppo piccolo, i fotoni non ci si adatteranno. Detto questo, ci sono modi per aggirare questa restrizione sulla dimensione dei dispositivi ottici, che è nota come limite di diffrazione. La soluzione è sostituire i fotoni con polaritoni plasmoni di superficie o PPS (Surface Plasmon Polaritons, SPPs).

I PPS (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) sono oscillazioni collettive di elettroni che sono confinati sulla superficie di un metallo e interagiscono con il campo elettromagnetico circostante. Solo pochi metalli noti come metalli plasmonici sono buoni per lavorare con i PPS: oro, argento, rame e alluminio. Proprio come i fotoni, i PPS sono onde elettromagnetiche, ma alla stessa frequenza sono molto meglio localizzate, cioè occupano meno spazio. L'utilizzo dei PPS al posto dei fotoni consente di "comprimere" la luce e quindi superare il limite di diffrazione.

La progettazione di laser plasmonici veramente su nanoscala è già possibile con le tecnologie attuali. Tuttavia, questi nanolaser sono pompati otticamente, cioè devono essere illuminati con laser esterni ingombranti e ad alta potenza. Questo può essere conveniente per esperimenti scientifici, ma non al di fuori del laboratorio. Un chip elettronico destinato alla produzione di massa e alle applicazioni nella vita reale deve incorporare centinaia di nanolaser e funzionare su un normale circuito stampato. Un laser pratico deve essere pompato elettricamente o, in altre parole, alimentato da una normale batteria o da un alimentatore CC. Finora tali laser sono disponibili solo come dispositivi che funzionano a temperature criogeniche, il che non è adatto per la maggior parte delle applicazioni pratiche, poiché il mantenimento del raffreddamento con azoto liquido non è tipicamente possibile.

I fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e del King's College di Londra hanno proposto un'alternativa al modo convenzionale in cui funziona il pompaggio elettrico. Di solito lo schema di pompaggio elettrico dei nanolaser richiede un contatto ohmico fatto di titanio, cromo o un metallo simile. Inoltre, quel contatto deve essere una parte del risonatore, il volume in cui viene generata la radiazione laser. Il problema è che il titanio e il cromo assorbono fortemente la luce, il che danneggia le prestazioni del risonatore. Tali laser soffrono di una corrente di pompa elevata e sono suscettibili al surriscaldamento. Ecco perché emerge la necessità del raffreddamento criogenico, insieme a tutti gli inconvenienti che comporta.

Il nuovo schema proposto per il pompaggio elettrico si basa su una doppia eterostruttura con un contatto Schottky a tunnel. Rende ridondante il contatto ohmico con il suo metallo fortemente assorbente. Il pompaggio ora avviene attraverso l'interfaccia tra il metallo plasmonico e il semiconduttore, lungo il quale si propagano gli SPPs. «Il nostro nuovo approccio di pompaggio rende possibile portare il laser azionato elettricamente su scala nanometrica, pur mantenendo la sua capacità di funzionare a temperatura ambiente. Allo stesso tempo, a differenza di altri nanolaser pompati elettricamente, la radiazione è effettivamente diretta a una guida d'onda fotonica o plasmonica, rendendo il nanolaser adatto per circuiti integrat», ha commentato il Dr. Dmitry Yu. Fedyanin (1) del Center for Photonics and 2D Materials presso MIPT.

Il nanolaser plasmonico proposto dai ricercatori è più piccolo - in ciascuna delle sue tre dimensioni - della lunghezza d'onda della luce che emette. Inoltre, il volume occupato dai PPS (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) nel nanolaser è 30 volte inferiore alla lunghezza d'onda della luce al cubo. Secondo i ricercatori, il loro nanolaser plasmonico a temperatura ambiente si potrebbe ulteriormente rimpicciolire facilmente, rendendo le sue caratteristiche ancora più interessanti, ma ciò verrebbe a scapito dell'impossibilità di estrarre efficacemente la radiazione in una guida d'onda del bus. Pertanto, mentre un'ulteriore miniaturizzazione renderebbe il dispositivo scarsamente applicabile ai circuiti integrati su chip, sarebbe comunque conveniente per sensori chimici e biologici e spettroscopia ottica a campo vicino o optogenetica.

Nonostante le sue dimensioni in nanoscala, la potenza di uscita prevista del nanolaser ammonta a oltre 100 microwatt, che è paragonabile a laser fotonici molto più grandi. Una potenza di uscita così elevata consente a ciascun nanolaser di essere utilizzato per trasmettere centinaia di gigabit al secondo, eliminando uno degli ostacoli più formidabili ai microchip a prestazioni più elevate. E questo include tutti i tipi di dispositivi informatici hi-end: processori di supercomputer, processori grafici e forse anche alcuni gadget da inventare in futuro.

Lo studio è stato sostenuto da una sovvenzione della Fondazione russa per la ricerca di base.

Collegamento al documento di ricerca originale: D.Yu. Fedyanin, A.V. Krasavin, A.V. Arsenin, A.V. Zayats, Lasing at the nanoscale: Coherent emission of surface plasmons by an electrically driven nanolaser, Nanophotonics 9, 3965-3975 (2020). (2)

Riferimenti:

(1) Dmitry Yu. Fedyanin

(2) Lasing at the nanoscale: coherent emission of surface plasmons by an electrically driven nanolaser

Descrizione foto: Nanolaser di superficie con polaritoni plasmoni di superficie o PPS (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) pompato elettricamente. - Credit: Dmitry Fedyanin.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists make electrical nanolasers even smaller