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Svolta storica al Cnr di Pisa: realizzato il primo laser a cascata quantica interamente progettato e sviluppato in Italia

Perché ne stiamo parlando
Gestire l’intero processo in “house” rappresenta un notevole vantaggio tecnologico per i ricercatori che potranno sviluppare i laser in modo autonomo, studiarli per migliorane le prestazioni ed esplorare le importanti ricadute in settori come quello biomedicale o della diagnostica dei tumori.

Svolta storica al Cnr di Pisa: realizzato il primo laser a cascata quantica interamente progettato e sviluppato in Italia
Miriam Serena Vitiello, Dirigente di Ricerca del Cnr-Nano, Professore a contratto Scuola Normale Superiore di Pisa

Fino ad oggi è stato un processo affidato ad altri laboratori europei. Quest’anno è arrivata la svolta storica. All’Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr Nano) di Pisa è stato realizzato il primo laser a cascata quantica interamente progettato, sviluppato e ottimizzato in Italia. Il “cuore” del dispositivo è composto da oltre 2mila strati di materiale semiconduttore di spessore nanometrico, ed è frutto della collaborazione tra il gruppo di ricerca guidato da Lucia Sorba, esperta nella crescita di nanostrutture, e il team di Miriam Serena Vitiello, esperta nello sviluppo di dispositivi a frequenze terahertz. Un notevole vantaggio tecnologico per i ricercatori che potranno sviluppare i laser a cascata quantica a frequenza THz (Terahertz) in modo completamente autonomo, studiarli per migliorane le prestazioni ed esplorare le importanti ricadute in settori come quello biomedicale o della diagnostica dei tumori. La radiazione THz non è invasiva ed è completamente sicura dal punto di vista della salute. Ma, soprattutto, è in grado di rilevare quantitativi anomali di acqua in cellule e tessuti, consentendo di individuare la presenza di una lesione sospetta (si pensi a carcinomi), e avere informazioni sulla sua natura. Ne abbiamo parlato con Miriam Serena Vitiello, dirigente di ricerca del Cnr-Nano e professore a contratto di Fisica della materia condensata alla Scuola Normale Superiore di Pisa.

Com’è strutturato lo strumento?

«Si tratta di un dispositivo miniaturizzato di pochi millimetri di lunghezza e di 100 micron di larghezza capace di emettere radiazione nel lontano infrarosso, ossia a frequenze di un milione di milioni di Hz. È ottenuto mediante un delicato processo di fabbricazione a partire da una struttura stratificata di sottili strati di materiale semiconduttore di spessori piccolissimi (da qualche decina di nanometri). Gli strati si ottengono in condizioni particolari, ad esempio in un ambiente di ultra-alto vuoto attraverso una tecnica di crescita che per la prima volta è stata implementata anche in Italia, sfruttando le competenze di Lucia Sorba, esperta di crescita di nanostrutture. Il progetto della struttura e la sua realizzazione sono interamente stati sviluppati nei laboratori di Cnr Nano».

Quanto è stato stanziato per il progetto?

«Il progetto nasce nell’ambito di una infrastruttura di ricerca del Consiglio Nazionale delle Ricerche per il calcolo e la simulazione quantistica, denominata “Pasqua” per la quale sono stati stanziati 4 milioni di euro».

Quali fattori rendono i laser innovativi?

«Le loro specifiche tecniche, che vanno dalle caratteristiche peculiari della radiazione che sono in grado di emettere fino alla loro estrema compattezza. Più in dettaglio: l’elevata potenza ottica di emissione (15-20 mW in corrente continua), l’elevata brillanza, la compattezza, la bassa dissipazione elettrica (< 10W), la possibilità di progettarne la lunghezza d’onda di emissione, quindi il “colore” della luce emessa, in un intervallo dello spettro elettromagnetico di frontiera per molte applicazioni, la regione delle onde terahertz».

Per affrontare questa sfida tecnologica avete sfruttato le tecnologie più avanzate per la crescita ultraprecisa di materiali semiconduttori. Quanto può essere importante l’uso delle nuove tecnologie, come AI e/o Big data?

«Estremamente importante per realizzare nuovi sensori per comunicazioni ottiche avanzate (banda 6G), per la sensoristica ambientale in ambienti difficili, per la sensistica a grande distanza per applicazioni satellitari e per la sicurezza (controllo di processo e qualità). Realizzare internamente all’istituto il cuore del laser a cascata quantica è stato un processo finora affidato ad altri laboratori europei e oggi rappresenta un notevole vantaggio tecnologico».

Quali saranno i prossimi passi?

«Al momento le ricerche del team che coordino si stanno concentrando sullo sviluppo di un particolare tipo di laser a cascata quantica, detti pettini ottici di frequenza, ossia sorgenti capaci di emettere “righe luminose” di diversa lunghezza d’onda, tutte ugualmente distanziate tra loro e con una relazione di fase costante. Poter generare radiazione in questa particolarissima forma apre ad applicazioni come la spettroscopia di alta precisione, la metrologia ottica di frequenza e le telecomunicazioni ad alta velocità. Si tratta di obiettivi che sono fondamentali per sviluppare il futuro delle tecnologie quantistiche in questo intervallo spettrale».

Gestire l’intero processo (progettazione, crescita dei materiali, realizzazione e messa in opera) in dispositivi laser altamente efficaci, dimostra l’eccellenza della ricerca condotta dal Cnr Nano di Pisa e la capacità di padroneggiare le nuove sfide tecnologiche di oggi e del futuro.

 

Keypoints

  • Realizzato al Cnr Nano di Pisa il primo laser a cascata quantica interamente progettato sviluppato e ottimizzato in Italia
  • Fino ad oggi è stato un processo affidato ad altri laboratori europei
  • Il “cuore” del laser è composto da oltre 2mila strati di materiale semiconduttore di spessore nanometrico
  • La radiazione THz (Terahertz) non è invasiva ed è completamente sicura dal punto di vista della salute
  • È in grado di rilevare quantitativi anomali di acqua in cellule e tessuti, consentendo di rilevare la presenza di una lesione sospetta (si pensi a carcinomi), e avere informazioni sulla sua natura

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