Una nuova tecnica sviluppata dai ricercatori del MIT rivela i dettagli interni dei cristalli fotonici, materiali sintetici le cui proprietà ottiche esotiche sono oggetto di ampia ricerca.

I cristalli fotonici sono generalmente realizzati perforando milioni di elementi ravvicinati, minuscoli fori in una lastra di materiale trasparente, utilizzando varianti dei metodi di fabbricazione di microchip. A seconda dell'orientamento esatto, dimensione, e la distanza di questi fori, questi materiali possono esibire una varietà di proprietà ottiche peculiari, compreso "superlensing, " che consente ingrandimenti che si spingono oltre i normali limiti teorici, e "rifrazione negativa, " in cui la luce viene piegata in direzione opposta al suo percorso attraverso normali materiali trasparenti.

Ma capire esattamente come la luce di vari colori e da varie direzioni si muova attraverso i cristalli fotonici richiede calcoli estremamente complessi. I ricercatori utilizzano spesso approcci altamente semplificati; ad esempio possono calcolare solo il comportamento della luce lungo un'unica direzione o per un solo colore.

Anziché, la nuova tecnica rende direttamente visibile l'intera gamma di informazioni. I ricercatori possono utilizzare una semplice configurazione di laboratorio per visualizzare le informazioni - uno schema dei cosiddetti "contorni di isofrequenza" - in una forma grafica che può essere semplicemente fotografata ed esaminata, in molti casi eliminando la necessità di calcoli. Il metodo è descritto questa settimana sul giornale Progressi scientifici , in un articolo del postdoc del MIT Bo Zhen, Emma Regan, recentemente laureata al Wellesley College e affiliata al MIT, professori di fisica del MIT Marin Soljacic e John Joannopoulos, e altri quattro.

La scoperta di questa nuova tecnica, Zhen spiega, è nata osservando da vicino un fenomeno che i ricercatori avevano notato e addirittura sfruttato per anni, ma di cui prima non avevano compreso le origini. I modelli di luce diffusa sembravano espandersi a ventaglio da campioni di materiali fotonici quando i campioni venivano illuminati dalla luce laser. La dispersione è stata sorprendente, poiché la struttura cristallina sottostante è stata fabbricata per essere quasi perfetta in questi materiali.

"Quando provavamo a fare una misurazione laser, vedremmo sempre questo schema, " dice Zhen. "Abbiamo visto questa forma, ma non sapevamo cosa stesse succedendo." Ma li ha aiutati ad allineare correttamente la loro configurazione sperimentale, perché il modello di luce diffusa sarebbe apparso non appena il raggio laser fosse stato correttamente allineato con il cristallo. Dopo un'attenta analisi, si sono resi conto che i modelli di dispersione erano generati da minuscoli difetti nel cristallo, fori non perfettamente rotondi o leggermente rastremati da un'estremità all'altra.

"C'è un disturbo di fabbricazione anche nei migliori campioni che possono essere realizzati, " dice Regan. "La gente pensa che la dispersione sarebbe molto debole, perché il campione è quasi perfetto, " ma si scopre che a certi angoli e frequenze, la luce si diffonde molto forte; fino al 50 percento della luce in entrata può essere disperso. Illuminando a turno il campione con una sequenza di colori diversi, è possibile costruire una visualizzazione completa dei relativi percorsi dei fasci di luce, tutto lo spettro visibile. La luce diffusa produce una visione diretta dei contorni delle isofrequenze, una sorta di mappa topografica del modo in cui i fasci di luce di diversi colori si piegano mentre attraversano il cristallo fotonico.

"Questo è molto bello, modo molto diretto per osservare le isofrequenze, "Dice Soljacic. "Fai semplicemente luce sul campione, con la giusta direzione e frequenza, " e ciò che viene fuori è un'immagine diretta delle informazioni necessarie, lui dice.

La scoperta potrebbe essere potenzialmente utile per una serie di applicazioni diverse, dice la squadra. Per esempio, potrebbe portare a un modo di fare grandi, schermi di visualizzazione trasparenti, dove la maggior parte della luce passerebbe dritta come attraverso una finestra, ma la luce di frequenze specifiche verrebbe dispersa per produrre un'immagine chiara sullo schermo. O, il metodo potrebbe essere utilizzato per creare visualizzazioni private che sarebbero visibili solo alla persona direttamente davanti allo schermo.

Poiché si basa su imperfezioni nella fabbricazione del cristallo, questo metodo potrebbe essere utilizzato anche come misura di controllo della qualità per la produzione di tali materiali; le immagini forniscono un'indicazione non solo della quantità totale di imperfezioni, ma anche la loro natura specifica, cioè se il disturbo dominante nel campione provenga da fori non circolari o incisioni non dritte, in modo che il processo possa essere regolato e migliorato.

Il team comprendeva anche ricercatori del MIT Research Laboratory of Electronics, tra cui Yuichi Igarashi (ora alla NEC Corporation in Giappone), Ido Kaminer, Chia Wei Hsu (ora alla Yale University), e Yichen Shen. Il lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio di ricerca dell'esercito attraverso l'Istituto per le nanotecnologie dei soldati del MIT, e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso S3TEC, un centro di frontiera energetica.