Recentemente, per caso, un team di scienziati del Politecnico Federale di Losanna, in Svizzera, e del Tokyo Institute of Technology, in Giappone, ha utilizzato impulsi laser ultraveloci provenienti da un laser a femtosecondi per irradiare atomi nel vetro di tellurite e ha scoperto la menzione di un sorprendente segreto.
Atomi di vetro tellurite irradiati dal laser a femtosecondi si sono riorganizzati, consentendo agli scienziati di scoprire un modo per trasformare il vetro tellurite in materiali semiconduttori. Perché questa scoperta è sorprendente? Il motivo principale è che quando i materiali semiconduttori sono esposti alla luce solare generano elettricità, il che significa che in futuro sarà possibile trasformare le finestre della vita quotidiana delle persone in dispositivi monomateriali di raccolta e rilevamento della luce che hanno indubbiamente un grande potenziale.
Il team sperimentale del Politecnico federale di Losanna (EPFL), Svizzera, si è imbattuto nella formazione di fasi nanocristalline di tellurio semiconduttore su superfici di vetro mentre cercavano di comprendere i processi di auto-organizzazione nel vetro, cosa che ha dato il via all'idea di esplorare possibili proprietà fotoconduttive e dispositivi di raccolta della luce ad esse correlati.
I ricercatori hanno fatto la scoperta modificando il vetro e analizzando gli effetti con l'aiuto del vetro tellurito prodotto dai colleghi del Tokyo Institute of Technology in Giappone e di un laser a femtosecondi.
Dopo aver inciso un semplice disegno di linee sulla superficie di un vetro tellurite di 1- cm di diametro, si scoprì così che il vetro era in grado di generare correnti elettriche che duravano per mesi quando irradiato negli spettri ultravioletto e visibile.
Allora come fa un laser a femtosecondi? Si parte dal principio della lavorazione laser a femtosecondi.
L'elaborazione laser a femtosecondi è una tecnologia di elaborazione avanzata basata su un meccanismo di assorbimento e ionizzazione non lineare multifotone. Quando un impulso luminoso a femtosecondi viene applicato sulla superficie di un materiale o all'interno di un materiale trasparente, l'area di azione dell'impulso luminoso è estremamente piccola a causa della durata estremamente breve dell'impulso luminoso (livello di femtosecondi), mentre l'impulso luminoso l'intensità della luce è estremamente elevata. In questo caso l'energia dell'impulso laser non ha il tempo di percorrere il punto di azione, per cui l'azione o l'elaborazione dell'impulso luminoso si conclude in un periodo di tempo molto breve.
Questo tempo d'azione estremamente breve consente all'energia dell'impulso laser di essere assorbita dal materiale principalmente attraverso un processo di assorbimento non lineare, invece del convenzionale assorbimento lineare dell'energia fotonica. A causa dell'assorbimento non lineare, l'energia dell'impulso laser non viene accumulata dal materiale sotto forma di calore e quindi il calore generato è quasi trascurabile.
Poiché viene generato pochissimo calore, non vi è praticamente alcun danno termico al materiale in lavorazione, il che rappresenta uno dei principali vantaggi della lavorazione laser a femtosecondi. Questo tipo di lavorazione evita l'effetto del trasferimento di calore, con conseguente precisione e risultati molto più elevati.
Proprio perché la lavorazione laser a femtosecondi innesca un fenomeno di ionizzazione localizzata innescato dal processo di assorbimento multifotone, che viene ulteriormente amplificato da successivi eventi a cascata come la ionizzazione a valanga e/o tunneling.
In parole povere, quando la struttura interna di un materiale viene interrotta e si trova in uno stato, si creano le condizioni per fasi materiali ricombinanti che sono più stabili rispetto alle loro controparti inizialmente substabili (vetrose o non vetrose).
Nel caso del vetro di tellurito, poiché la sua struttura cambia dopo l'esposizione a un laser a femtosecondi, si formano semi costituiti da grappoli di atomi di tellurio che alla fine crescono in nanocristalli di tellurite quando la fase vetrosa si rompe.
Inizialmente il materiale non conduce elettricità e non è in grado di raccogliere fotoni, ma una volta trasformato con un laser a femtosecondi il suo comportamento locale è completamente diverso.
Ciò che è sorprendente è anche che questo lavoro non richiede una varietà di materiali per la fabbricazione, ma utilizza semplicemente il laser per alterare localmente il materiale in modo che la regione alterata si comporti in modo diverso dal materiale originale. Il basso costo e la semplicità di utilizzo del laser lo rendono scalabile a qualsiasi tipo/dimensione di substrato, semplicemente scansionando il raggio laser sulla superficie del materiale.
Ci sono ancora problemi con la ricerca che devono essere compresi in profondità, e c'è ancora un processo da seguire per migliorare le prestazioni del dispositivo e portare il concetto dalla sperimentazione all'atterraggio industriale.
Una delle grandi sfide è garantire che le aree migliorate che assorbono la luce siano anche aree invisibili a occhio nudo in modo che la finestra possa mantenere la sua funzionalità consentendo allo stesso tempo alle persone di vedere chiaramente attraverso il vetro verso l'esterno, mantenendo il vetro esteticamente piacevole.
Tuttavia, in questa fase, alcune potenziali applicazioni della fotonica che richiedono lavoro, come il rilevamento e la quantificazione della presenza di luce a lunghezze d’onda o intervalli spettrali specifici, hanno potuto trarne vantaggio.
