Siamo finalmente riusciti a creare un laser organico

I led organici, noti come oled, sono da anni un’affermata realtà sia scientifica che commerciale. Sono il corrispettivo organico dei led, dispositivi che emettono luce quando sono attraversati dalla corrente elettrica. Per i laser si può fare un discorso analogo: abbiamo laser, cosiddetti a stato solido basati su materiali semiconduttori, ma al contrario degli oled non siamo mai stati in grado di sviluppare un laser organico, ovvero basato su materiali organici. Questa situazione sembra finalmente essersi sbloccata grazie agli sforzi dei ricercatori dell’Università di Kyushu, in Giappone, che hanno sviluppato il primo prototipo funzionante di laser organico. Gli scienziati hanno anche fondato una startup per sviluppare ulteriormente il progetto. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Applied Physics Express.

Come funziona un laser a stato solido

I laser a stato solido esistono da anni e si fondano tutti sullo stesso principio cioè l’inversione di popolazione. Funziona così: i semiconduttori come il germanio, il silicio o l’arseniuro di gallio (fra i più noti) hanno dei livelli energetici. Di norma, le cariche elettriche presenti nel materiale si trovano nel livello energetico più basso, che chiameremo livello zero. Quando il materiale viene sottoposto ad una corrente elettrica, alcune cariche vengono promosse a livelli energetici più alti, che chiameremo livello due, per poi tornare naturalmente al livello zero.

Senza scendere in dettagli tecnici, se il materiale viene ingegnerizzato opportunamente, possono essere creati dei livelli intermedi, come un livello uno, compreso tra lo zero e il due. In questo modo, ad un certo punto le cariche presenti nel livello due saranno più di quelle presenti nel livello uno o zero. Insomma, si ottiene quello che in gergo viene definito inversione di popolazione: i livelli alti ospitano più cariche di quelli bassi. Poi le cariche ricadono, a cascata, producendo l’emissione di luce. Il tipo di luce emessa dipende dalla differenza di energia fra i livelli (ad esempio fra il livello due e uno). Continuando a tenere una corrente accesa, il laser continua a funzionare.

Cosa cambia per un laser organico?

Per un laser organico il principio di funzionamento non cambia. Il problema è che un materiale costituito principalmente da carbonio presenta l’inconveniente del riscaldamento. Rispetto agli oled, per cui non serve una gran quantità di corrente per ottenere l’emissione di luce, i laser hanno bisogno di correnti decisamente più alte. Questo ha fatto si che la maggior parte dei dispositivi realizzati in precedenza finisse bruciata prima di ottenere l’emissione laser. Un altro problema è che i prototipi precedenti soffrivano di perdite che ne limitavano l’efficienza aumentando ancora di più la corrente necessaria per farli funzionare.

Gli scienziati giapponesi guidati da Chihaya Adachi, hanno creato un dispositivo basato su un materiale ad alta efficienza e bassa resistenza chiamato Bsbcz (acronimo di 4-4 bis N-carbazolostirilbifenile). Tuttavia, avere il giusto materiale non è sufficiente. Gli scienziati hanno costruito un dispositivo a strati: una griglia di materiale isolante è posta su uno degli elettrodi usati per far arrivare la corrente allo strato di materiale organico. “Ottimizzando questa griglia abbiamo ottenuto, non solo le proprietà ottiche desiderate”, ha spiegato Adachi, “ma anche il controllo del flusso di corrente nel dispositivo. Siamo così riusciti a minimizzare la quantità di elettricità necessaria per osservare il lasing da un sottile strato di materiale organico”.

Una startup per i laser organici del futuro

“Credo che molte persone della comunità scientifica fossero scettiche riguardo la possibilità di ottenere laser organici” ha commentato Atula S. D. Sandanayaka, primo autore della ricerca, “ma superando progressivamente i limiti con un nuovo dispositivo e un nuovo materiale, alla fine ce l’abbiamo fatta”. I ricercatori sono così convinti della bontà della loro ricerca che hanno fondato una startup, la Koala Tech Inc. (che sta per Kyushu Organic Laser Technology Inc.) per accelerare il processo di ricerca e superare gli ostacoli che rimangono prima di vedere le prime applicazioni commerciali. I laser organici potrebbero entare presto in campi come il biosensing, gli schermi, le applicazioni mediche e le comunicazioni ottiche. Il lavoro è lungo, ma promettente.

Riferimenti: Applied Physics Express