Microcavità

microcavità Termine con cui in fisica si indicano, all'interno dei sistemi a dimensionalità ridotta, i risuonatori ottici di dimensioni micrometriche che confinano i modi propri di oscillazione del campo elettromagnetico (fotoni di cavità) su scale di dimensioni dell’ordine della lunghezza d’onda della luce.

Abstract di approfondimento da Microcavità di Giuseppe La Rocca (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)

Lo studio dell’interazione luce-materia ha da sempre richiamato l’attenzione degli scienziati, sia perché cruciale per la comprensione di molti fenomeni naturali sia perché utile per la realizzazione di innumerevoli dispositivi tecnologici. Sulla base dei principi della meccanica quantistica, si sono compresi i meccanismi microscopici che regolano l’emissione e l’assorbimento dei fotoni. Tali processi possono essere controllati modificando opportunamente gli stati elettronici dei materiali, come avviene in particolare nelle eterostrutture a semiconduttore utilizzate nell’ambito dell’optoelettronica. Tuttavia, oltre ai gradi di libertà dei mezzi materiali, si possono controllare anche quelli dei campi elettromagnetici al fine di condizionare opportunamente l’interazione luce-materia. In questa prospettiva sono molto interessanti i sistemi a dimensionalità ridotta, in cui gli elettroni o i fotoni risultano confinati in un piano, lungo un filo o addirittura intorno a un punto.

microcavità

La funzione essenziale di una microcavità è quella di produrre confinamento fotonico con la conseguente ristrutturazione della distribuzione spettrale e spaziale dei campi elettromagnetici al suo interno. Le geometrie impiegate variano molto a seconda che si vogliano ottenere fotoni di cavità bidimensionali (sistemi planari), unidimensionali (sistemi a filo) o totalmente confinati (sistemi a scatola), così come variano i tipi di specchi impiegati, che possono essere metallici o dielettrici.

Lo studio di sistemi a microcavità, i quali comprendono in una stessa struttura monolitica il materiale otticamente attivo e gli specchi responsabili per il confinamento della luce, consente di allargare le nostre conoscenze sull’interazione luce-materia, in particolare su aspetti dell’elettrodinamica quantistica e di migliorare le proprietà optoelettroniche alla base di dispositivi a stato solido quali: i diodi emettitori di luce (LED) e i diodi laser.

Configurazioni a microcavità planare sono utili per mirare l’efficienza di un LED aumentando la quantità di luce estratta dal dispositivo, che negli usuali diodi privi di microcavità è fortemente limitata per riflessione totale interna all’interfaccia tra il semiconduttore e l’aria (in assenza di speciali accorgimenti, l’efficacia di estrazione è tipicamente inferiore al 5%).

Nei LED a microcavità (MC-LED), una cavità con un leggero detuning verso il rosso della banda di emissione e uno specchio di moderata riflettività consentono di ottimizzare l’efficacia di estrazione della luce spontaneamente emessa raggiungendo facilmente valori dell’ordine del 20%. Per MC-LED da accoppiare in fibra ottica al fine di migliorare la concentrazione spettrale e angolare della luce emessa ortogonalmente alla microcavità può essere utile aumentare la riflettività dello specchio a multistrati dielettrici utilizzato, senza peraltro dover necessariamente raggiungere riflettività molto elevate.