Dettagli Progetti e Finanziamenti

Abstract: La radiazione Terahertz (THz) è definita nell’intervallo di frequenze localizzato tra le micro-onde e la regione infrarossa dello spettro elettromagnetico, con
frequenze variabili tra 0.1 e 10 THz e corrispettive lunghezze d’onda variabili tra 30 e 3000 μm. Attualmente questo intervallo spettrale risulta solo parzialmente
esplorato. La ragione di questo ‘terahertz gap’ è la mancanza di sorgenti sufficientemente solide e compatte e di rivelatori sensibili. Sebbene siano state realizzate
sorgenti di radiazione nel Terahertz queste ultime sono generalmente complesse, ingombranti, costose e limitate da basse potenze ottiche (<100uW) o richiedono una rigorosa stabilizzazione della temperatura e umidità dell'ambiente. Uno dei più attuali e rilevanti progressi nel settore della fisica dei semiconduttori è rappresentato dalla recente diffusione di una nuova classe di emettitori e rivelatori basati su transizioni intersubbanda. Questi dispositivi, in particolare i laser a cascata quantica (QCLs) sono attualmente la sorgente compatta a semiconduttore più efficiente nel medio infrarosso (3-24 μm). L'azione laser nella regione spettrale dei THz è stata dimostrata solo recentemente. Tuttavia, nell'intervallo di lunghezze d'onda >100 μm, la tecnologia QCL è lontana dall’essere matura e necessita di significativi avanzamenti. In questo intervallo
l’inversione di popolazione, il guadagno ottico, il confinamento ottico, i meccanismi d’interazione elettrone – fonone e la distribuzione elettronica devono essere
ancora analizzati a fondo al fine di estendere il funzionamento dei QCLs a più alte temperature e più grandi lunghezze d’onda. In aggiunta, la peculiare versatilità del
design quantistico garantita dalle potenzialità offerte dall’ingegnerizzazione del bandgap, rende questi dispositivi ideali per la realizzazione di micro-sorgenti a
semiconduttore mode-locked e metrologiche nel lontano infrarosso, tuttora non esistenti.
I QCLs hanno attualmente un reale impatto tecnologico in diversi campi applicativi quali il monitoraggio di inquinanti, il controllo di processo, le misure
anti-terroristiche, la diagnostica medica. In quest’ottica essi hanno molteplici potenzialità per migliorare la qualità della vita. In aggiunta alle applicazioni, esiste un
considerevole interesse nei processi intersubbanda e nei fenomeni optoelettronici ad essi connessi da un punto di vista fisico fondamentale.
Il presente progetto di ricerca si propone di esplorare i fenomeni fisici fondamentali alla base del funzionamento degli emettitori intersubbanda mediante
realizzazione di dispositivi quantistici avanzati, se-up innovativi basati su tecniche ottiche non lineari e nuovi modelli interpretativi di fenomeni complessi. In
aggiunta, attraverso un’innovativa ricerca concentrata su aspetti fondamentali e applicativi legati al design quantistico e all’implementazione di laser a cascata
quantica (QCL) operanti nel THz, il progetto prospetta lo sviluppo di una nuova generazione di sorgenti QCLs a grandi lunghezze d’onda mirando alla più estesa
diffusione delle stesse nell’ambito dell’attuale piattaforma europea di Fotonica.
Il progetto si propone di esplorare nuovi approcci scientifici per l’ottimizzazione delle performance, la funzionalità, la stabilizzazione e l’integrazione con nuova
componentistica ottica (guide d’onda ad alta efficienza e rivelatori nano strutturati) di sorgenti THz compatte a semiconduttore attraverso una collaborazione
scientifica estesa ad una vasta gamma di discipline tra le quali: nano-fabbricazione avanzata, spettroscopia, metrologia, imaging olografico, ottica non lineare e
teoria avanzata dello stato solido.

Obiettivo principale della presente proposta è lo sviluppo di:
i) Dispositivi THz QCL ad elevate affidabilità operanti alle temperature di esercizio dei raffreddatori termoelettrici, con potenze ottiche, efficienze quantiche ed
accordabilità elevate;
ii) Dispositivi THz QCL con profili di fascio altamente direzionali accoppiati con guide d’onda THz con valori di efficienza elevati e basse perdite per trasmissione;
iii) Rivelatori nano strutturati in configurazioni singolo pixel o di array accoppati con QCL THz ad elevata potenza ottica di picco;
iv) Set-up ottici per misure di imaging olografico nel Terahertz;
v) Nuovi set-up ottici basati su tecniche spettroscopiche THz ad alta risoluzione e tecniche di up-conversion non lineari implementati con micro sorgenti metrologiche
quantistiche non convenzionali ultra-strette nel THz;
vi) Modelli interpretativi originali di fenomeni fisici intersubbanda complessi.

Il conseguimento degli obiettivi del progetto contribuirà allo sviluppo di un network scientifico italiano di eccellenza nel campo delle sorgenti THz innovative, ambito
destinato a ricoprire un ruolo strategico per il progresso tecnologico italiano ed europeo, in campi applicativi quali quelli dell’homeland security, il patrimonio
artistico ed ambientale e la diagnostica medica.

Esperimenti/Studi INO correlati:
Synthesis of terahertz frequencies by optical frequency mixing
Cavity-enhanced THz molecular spectroscopy