Schema del dispositivo p-n descritto nello studio. Cortesia di M. Agio
Del diamante non si butta proprio niente. È stato pubblicato su New Journal of Physics uno studio, condotto da Dmitry Fedyanin del MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) e da Mario Agio del CNR-INO (nonché della University of Siegen, del LENS di Firenze e di QSTAR), che mostra come sia possibile, sollecitando con la tecnica della elettroluminescenza le impurità dei cristalli dei diamanti, emettere fotoni singoli a temperatura ambiente e con grande efficacia. Fino a qualche tempo fa, i candidati privilegiati per ottenere sorgenti di fotoni singoli erano punti quantici (quantum dots) che necessitano di azoto ed elio liquido per garantire un ambiente sempre raffreddato, con grande e costoso dispendio di energia. La novità è avere teorizzato, e poi sperimentato, la capacità di ottenere dalle impurità dei diamanti la produzione a richiesta di fotoni, con sollecitazione elettrica piuttosto che con il laser a alta energia.
Altra certezza era che alcuni punti dello strato cristallino dei diamanti sono “difettosi”, o meglio estranei al diamante, e si comportano in modo bizzarro. Si conosceva però la potenzialità di emissione di fotoni a temperatura ambiente di queste impurità: atomi come quelli di silicio o di azoto, per esempio, che entrano nel diamante in modo naturale o impiantati artificialmente.
Dal momento che non esistevano teorie che descrivessero l’emissione di fotoni dai centri di colore del diamante (le impurità), non era possibile stabilire il potenziale di queste fonti di fotoni singoli e verificare se potessero essere validi come base per strumenti quantistici del futuro. Sollecitate con l’elettroluminescenza, però, le impurità del diamante hanno prodotto singoli fotoni a temperatura ambiente.
Per capire meglio il fenomeno, e la sua eventuale portata in ambito tecnologico, abbiamo raggiunto Mario Agio. E la prima domanda che gli abbiamo fatto è sulla tecnica dell’elettroluminescenza.
«Il processo di elettroluminescenza consiste nell’applicare un voltaggio, cioè far passare una corrente che genera fotoni. Questo è un processo già studiato soprattutto nei semiconduttori e l’esempio più evidente è quello dei LED: la ricerca ha studiato questo tipo di dispositivi per le sorgenti di un singolo fotone e si è arrivati, in via sperimentale a utilizzare i punti quantici (quantum dots), realizzati con semiconduttori. Quello che noi abbiamo fatto è di andare studiare questo fenomeno nel diamante. Nonostante da anni sia forte l’interesse nell’utilizzo del diamante come emettitore di luce, non c’erano però studi teorici che spiegassero come questo processo avvenisse e quale tipo di prestazione si potevano ottenere. Abbiamo applicato delle metodologie in parte prese dalla fisica dei semiconduttori e opportunamente riviste per il diamante, che non è un semiconduttore, e abbiamo sviluppato un modello che potesse essere sia qualitativo che quantitativo, per le attese dei dati disponibili sul diamante, ovviamente da un punto di vista sperimentale».
Mario Agio (CNR-INO, LENS, QSTAR e University of Siegen)
Risultato?
«Quello che abbiamo trovato è che effettivamente un centro di colore nel diamante può essere una sorgente di luce quantistica molto efficace. Esperimenti preliminari sono stati fatti tre o quattro anni fa con dei risultati non troppo incoraggianti e questo però ha stimolato il nostro lavoro. L’emissione del singolo fotone è stata osservata ma con delle efficienze molto basse e quindi non si sapeva se questo fosse dovuto a una caratteristica intrinseca del processo della elettroluminescenza o se fosse dovuto a aspetti di tipo tecnologico sperimentale. La nostra ricerca ora dovrebbe, si spera, stimolare ulteriore ricerca in questa direzione per arrivare a delle sorgenti che siano molto più efficienti».
Perché il diamante e non i semiconduttori?
«I semiconduttori si studiano da almeno una decina di anni e anche di più invece il diamante è un materiale con delle caratteristiche molto particolari che permettono di ottenere questi centri di colore che emettono fotoni, anche a temperature ambiente e con delle caratteristiche di purezza. In sostanza questi centri di colore in pratica sono molto simili a degli atomi in un sistema di stato solido, al contrario dei punti quantici. In un sistema quantistico questa condizione è la più desiderabile, consentendo di emettere fotoni con caratteristiche quantistiche superiori senza dover utilizzare criostati o accorgimenti particolari che vengono utilizzati tuttora per quantum dot, e per i dispositivi questo sarebbe importante».
In quali campi della vita quotidiana si potrebbero avere applicazioni?
«Per il momento vedo soprattutto due aspetti di immediato interesse: uno sarebbe quello della quantum communication o della quantum cryptography, già in fase avanzata di sperimentazione, dove però vengono utilizzati dei laser attenuati. Un laser attenuato è in prima approssimazione come una sorgente di singoli fotoni; tuttavia questa non è esattamente una sorgente di singoli fotoni mentre una sorgente di singoli fotoni permetterebbe di avere dei vantaggi per la sicurezza di questo tipo di comunicazione, che è l’aspetto più interessante di questa tecnologia. Quindi avere una sorgente di singoli fotoni molto luminosa è proprio quello che servirebbe per rendere questa tecnologia sicura e applicabile nella nostra società».
A proposito di applicazioni, che tempi (e costi) si possono prevedere per rendere disponibile questa tecnologia?
«L’aspetto più cruciale, rischioso e costoso sicuramente è il processo di drogaggio. Il diamante è un materiale molto difficile da trattare, bisogna crescerlo e renderlo un conduttore di elettroni o di lacune e per fare questo ci sono processi molto complessi che da diversi anni si cerca di perfezionare. Tutto nacque con l’idea di utilizzare il diamante per la microelettronica e oggi grazie a tutto questo sforzo possiamo pensare di farlo anche nel campo nelle tecnologie quantistiche. Da un punto di vista dello sviluppo della tecnologica oltre i costi, che non saprei quantificare, l’aspetto critico è quello delle scarse competenze per portare avanti queste conoscenze. A oggi sono pochissimi i gruppi che studiano queste tecnologie. Ci sono i giapponesi che sono i leader ma in Europa ci sono pochi i centri, oltre che in Belgio e in Germania non ci sono altri centri e servirebbero delle scelte strategiche europee per recuperare su questi tipi di competenza. Allo stesso tempo per una parte di ricerche sulla fotonica ci sono ancora investimenti e ricerche da fare, seppure di più modesto impatto rispetto alla costruzione di know how europeo».
Sarebbe più veloce la trasmissione rispetto alle attuali tecniche?
«Non credo che questo comporti una velocità di trasmissione perché alla fine la velocità di trasmissione è determinata dalla propagazione della luce… l’aspetto più importante è quello della qualità della sorgente che renderebbe il canale più robusto da utilizzare nella vita reale, che resta un aspetto limitante per l’applicazione di questi concetti nella vita reale».
Per saperne di più:
- Leggi su New Journal of Physics l’articolo “Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures“, di D. Yu Fedyanin e M. Agio
- Sulla fotoluminescenza del diamante a temperature molto elevate, leggi su AIP Advances l’articolo “Robust luminescence of the silicon-vacancy center in diamond at high temperatures“, di Stefano Lagomarsino, Federico Gorelli, Mario Santoro, Nicole Fabbri, Ahmed Hajeb, Silvio Sciortino, Lara Palla, Caroline Czelusniak, Mirko Massi, Francesco Taccetti, Lorenzo Giuntini, Nicla Gelli, Dmitry Yu Fedyanin, Francesco Saverio Cataliotti, Costanza Toninelli e Mario Agio