La fotonica ultravioletta nella banda UV-C, compresa tra 100 e 280 nanometri, rappresenta una frontiera tecnologica in rapida espansione che abbraccia campi diversi come la microscopia a super-risoluzione, le comunicazioni ottiche e la spettroscopia avanzata. Una caratteristica peculiare della radiazione UV-C è la sua intensa capacità di scattering atmosferico, proprietà che la rende ideale per sistemi di comunicazione non in linea di vista, capaci cioè di trasmettere dati anche quando ostacoli fisici impediscono un percorso diretto tra emittente e ricevente. Tuttavia, lo sviluppo di dispositivi pratici ed efficienti in grado di operare affidabilmente in questo range spettrale è rimasto fino ad oggi una sfida aperta, rallentando significativamente il progresso in questo settore promettente.
Un gruppo di ricerca guidato dalla professoressa Amalia Patané dell'Università di Nottingham e dal professor John W. G. Tisch dell'Imperial College London ha sviluppato una piattaforma integrata capace sia di generare che di rilevare impulsi laser UV-C della durata di femtosecondi, pubblicando i risultati su Light: Science & Applications. Il sistema rappresenta un avanzamento sostanziale perché combina per la prima volta la generazione di impulsi laser ultracorti nella banda UV-C con sensori basati su semiconduttori bidimensionali (2DSEM), materiali costituiti da strati atomicamente sottili con proprietà optoelettroniche peculiari.
La metodologia adottata per la generazione degli impulsi si basa su processi non lineari del secondo ordine in regime di phase-matching, sfruttando la generazione di seconda armonica a cascata all'interno di cristalli non lineari. Questa tecnica produce impulsi UV-C con durate temporali inferiori a un trilionesimo di secondo, una scala temporale che consente di investigare processi ultrarapidi nella materia e di modulare informazioni con larghezze di banda estremamente elevate. La rilevazione di questi impulsi femtosecondi avviene a temperatura ambiente mediante fotorivelatori realizzati con seleniuro di gallio (GaSe) e il suo strato di ossido a gap largo (Ga2O3), materiali compatibili con tecniche di fabbricazione scalabili e quindi potenzialmente adatti alla produzione industriale.
Per validare le prestazioni della piattaforma, il team di ricerca ha implementato un sistema dimostrativo di comunicazione in spazio libero. In questo esperimento proof-of-concept, l'informazione veniva codificata nel laser UV-C dalla sorgente trasmittente e successivamente decodificata con successo dal sensore semiconduttore bidimensionale che fungeva da ricevitore. La professoressa Patané sottolinea un aspetto inatteso e particolarmente rilevante: "I nuovi sensori mostrano una risposta di fotocorrente da lineare a super-lineare rispetto all'energia degli impulsi, una proprietà altamente desiderabile che pone le basi per la fotonica UV-C operante su scale temporali di femtosecondi in un ampio intervallo di energie e frequenze di ripetizione".
Ben Dewes, dottorando presso l'Università di Nottingham, evidenzia come la rilevazione di radiazione UV-C con materiali bidimensionali sia ancora un campo di ricerca agli albori, e come la capacità di rilevare impulsi ultracorti in configurazione spazio libero apra prospettive significative per lo sviluppo futuro di componenti fotonici UV-C. Dal punto di vista della generazione laser, il professor Tisch sottolinea l'importanza dell'efficienza di conversione ottenuta: lo sfruttamento di processi del secondo ordine con accoppiamento di fase in cristalli ottici non lineari ha permesso di raggiungere un'efficienza notevole nella generazione di luce UV-C, rappresentando un traguardo importante verso l'ottimizzazione e la miniaturizzazione del sistema in una sorgente UV-C compatta.
Tim Klee, dottorando all'Imperial College, aggiunge che compattezza, efficienza e semplicità d'uso saranno elementi critici per favorire l'adozione di queste tecnologie nella comunità scientifica e industriale, stimolando ulteriori ricerche nella fotonica UV-C. L'integrazione monolitica di questi componenti in circuiti fotonici integrati potrebbe abilitare piattaforme che combinano sorgenti luminose e rivelatori in un unico sistema, particolarmente utili per comunicazioni in spazio libero tra sistemi autonomi e tecnologie robotiche.
Le implicazioni pratiche si estendono a numerose applicazioni avanzate: dalla spettroscopia ultraveloce per studiare dinamiche molecolari ed elettroniche su scale temporali femtosecondi, all'imaging a banda larga con risoluzione spaziale e temporale senza precedenti. La forte prestazione sensoriale dei materiali bidimensionali, combinata con la capacità di operare a temperatura ambiente senza sistemi di raffreddamento complessi, rappresenta un vantaggio decisivo per l'implementazione pratica. Inoltre, la compatibilità dei materiali utilizzati con tecniche di fabbricazione scalabili suggerisce che la transizione dal laboratorio alla produzione industriale potrebbe essere più rapida rispetto ad altre tecnologie fotoniche avanzate, aprendo prospettive concrete per sistemi di comunicazione ottica di prossima generazione e piattaforme di sensing ultrarapido in contesti applicativi reali.
