Pisa, 12 aprile 2024 – Generare onde terahertz nel lontano infrarosso, una frequenza finora inaccessibile a strumentazioni compatte ed efficienti. È quanto ha realizzato un team internazionale guidato da Miriam Serena Vitiello dell'Istituto Nanoscienze del Cnr (Cnr Nano) di Pisa che ha messo a punto un dispositivo che supera i limiti delle tecnologie precedenti, grazie all'uso del grafene, e apre la strada a una vasta gamma di applicazioni nei settori dell'imaging, della spettroscopia e della diagnostica, e del rilevamento.
Il risultato, presentato sulla rivista Nature Communications, è frutto di una collaborazione tra il Cnr Nano di Pisa e le università di Cambridge, Leeds, e Ecole Normale di Parigi. Il team pisano vede coinvolte anche le ricercatrici di Cnr Nano Alessandra Di Gaspare e Chiara Schiattarella, entrambe parte del Gruppo di Fotonica THz guidato da Vitiello, attivo presso il Laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore.
Le onde terahertz, onde elettromagnetiche di frequenze comprese tra le microonde e la luce infrarossa, hanno un potenziale rivoluzionario tuttavia poco sfruttato per la difficoltà tecnologiche a realizzare dispositivi compatti ed efficienti. "In particolare non esistono attualmente sorgenti compatte ed performanti in grado di emettere a frequenze tra i 6 e i 12 terahertz, il cosiddetto lontano infrarosso", spiega Miriam Serena Vitiello di Cnr Nano, "un intervallo dello spettro elettromagnetico che avrebbe numerose opportunità di ricerca e applicazioni". Il dispositivo creato dal team di Cnr Nano è efficiente, miniaturizzato ed emette onde alla frequenza di 9,62 terahertz.
Per raggiungere questo traguardo tecnologico i ricercatori hanno sfruttato le speciali proprietà ottiche del grafene e una particolare progettazione del dispositivo. "Quando il grafene interagisce con onde elettromagnetiche è capace convertirle ad una frequenza più alta, un processo che prende il nome di generazione armonica. Nel nostro caso abbiamo ottenuto una frequenza tripla della frequenza iniziale eccitando il grafene con un laser della tipologia a cascata quantica" spiega Vitiello. "Questo approccio offre un notevole vantaggio in termini di semplicità ed efficienza ed elimina la necessità di ricorrere a laser potenti e ingombranti".
Le potenziali applicazioni di questa scoperta sono promettenti e variegate. Le onde terahertz nel lontano infrarosso potrebbero essere utilizzate per lo studio di materiali e composti chimici, tra cui gli idrocarburi aromatici, fondamentali per il settore energetico e per il monitoraggio del clima, o ancora per indagare fenomeni quantistici in materiali innovativi come gli isolanti topologici sintetici, attraverso nuove tecniche spettroscopiche con risoluzione alla nanoscala.