Disordine ingegnerizzato ad arte per creare nuove funzionalità

Recenti studi nel campo della micro e nano fotonica a cura di ricercatori del Laboratorio Lens e dell'Istituto Nazionale di Ottica del CNR hanno dimostrato che è possibile usare il disordine che è presente in molti materiali fotonici per creare delle strutture nuove con funzionalità sorprendenti. Un bellissimo esempio è quello di un random laser, un laser basato su materiali semplici come polveri e vetri porosi. Se da un lato questi materiali sono convenienti e relativamente facili da realizzare, è solo di recente che la comunità scientifica ha cominciato a capire veramente la fisica del multiple scattering con guadagno ottico, il meccanismo sul quale si basa il random laser. Ma che cos'è esattamente un random laser? Un laser normalmente consiste in due elementi principali: un materiale che offre guadagno ottico tramite emissione stimolata e una cavità che intrappola parzialmente la luce. Quando il guadagno totale nella cavità è maggiore delle perdite, il sistema raggiunge una soglia laser. È la cavità che determina i modi di emissione di un laser, ovvero determina la direzionalità della luce emessa e il suo colore. I random laser funzionano con lo stesso principio, ma l'emissione è determinata dalla diffusione multipla nel materiale disordinato anziché da una cavità. La diffusione di onde luminose in materiali disordinati è un processo complesso, ma completamente coerente: ciò significa che anche in questo ambito possono verificarsi fenomeni d'interferenza quali l'effetto di «laser speckle», la struttura granulare che si osserva quando esempio i cristalli fotonici che costituiscono la base dei dispositivi fotonici: in queste strutture - dove la diffusione è sempre stata considerata una proprietà non desiderata - l'utilizzo del disordine appositamente ingegnerizzato crea nuove funzionalità e apre prospettive completamente nuove. Una delle applicazioni molto promettenti di materiali fotonici diffusivi è nel settore dell'energia solare, per migliorare l'assorbimento in celle fotovoltaiche di terza generazione. Nel random laser, poi, la diffusione multipla porta a dispositivi con proprietà nuove: random laser potrebbero essere usati per l'illuminazione di ambienti ma anche, ad esempio, per display attivi e altri dispositivi fotonici, con enormi vantaggi di semplicità di realizzazione e di basso costo.

Authors: D.S. Wiersma

Title: The Physics and Applications of Random Lasers

Journal: Nature Physics

Year: 2008

References: 4, 359 (2008)