Gli ingegneri dell'Università della California a San Diego hanno sviluppato un materiale che potrebbe ridurre le perdite di segnale nei dispositivi fotonici. Il progresso ha il potenziale per aumentare l'efficienza di varie tecnologie basate sulla luce, compresi i sistemi di comunicazione in fibra ottica, laser e fotovoltaico.

La scoperta affronta una delle maggiori sfide nel campo della fotonica:ridurre al minimo la perdita di segnali ottici (basati sulla luce) in dispositivi noti come metamateriali plasmonici.

I metamateriali plasmonici sono materiali progettati su scala nanometrica per controllare la luce in modi insoliti. Possono essere usati per sviluppare dispositivi esotici che vanno dai mantelli dell'invisibilità ai computer quantistici. Ma un problema con i metamateriali è che in genere contengono metalli che assorbono energia dalla luce e la convertono in calore. Di conseguenza, parte del segnale ottico viene sprecata, abbassando l'efficienza.

In un recente studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , un team di ricercatori di fotonica guidati dal professore di ingegneria elettrica Shaya Fainman presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego ha dimostrato un modo per compensare queste perdite incorporando nel metamateriale qualcosa che emette luce:un semiconduttore.

"Stiamo compensando la perdita introdotta dal metallo con il guadagno del semiconduttore. Questa combinazione teoricamente potrebbe comportare un assorbimento netto pari a zero del segnale, un metamateriale "senza perdita", " ha detto Joseph Smalley, uno studioso postdottorato in ingegneria elettrica nel gruppo di Fainman e il primo autore dello studio.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno puntato la luce di un laser a infrarossi sul metamateriale. Hanno scoperto che a seconda del modo in cui la luce è polarizzata, quale piano o direzione (su e giù, lato a lato) tutte le onde luminose sono impostate per vibrare:il metamateriale riflette o emette luce.

"Questo è il primo materiale che si comporta contemporaneamente come un metallo e un semiconduttore. Se la luce è polarizzata in un modo, il metamateriale riflette la luce come un metallo, e quando la luce è polarizzata dall'altra parte, il metamateriale assorbe ed emette luce di un diverso 'colore' come un semiconduttore, " ha detto Smalley.

I ricercatori hanno creato il nuovo metamateriale coltivando prima un cristallo del materiale semiconduttore, chiamato fosfuro di indio gallio arseniuro, su un substrato. Hanno quindi usato ioni ad alta energia dal plasma per incidere trincee strette nel semiconduttore, creando file di semiconduttori larghe 40 nanometri distanziate di 40 nanometri l'una dall'altra. Finalmente, hanno riempito le trincee di argento per creare uno schema di strisce alternate di dimensioni nanometriche di semiconduttore e argento.

"Questo è un modo unico per fabbricare questo tipo di metamateriale, " Disse Smalley. Le nanostrutture con strati diversi sono spesso realizzate depositando ogni strato separatamente uno sopra l'altro, "come una pila di fogli su una scrivania, " ha spiegato Smalley. Ma il materiale semiconduttore utilizzato in questo studio (fosfuro di arseniuro di gallio indio) non può essere semplicemente coltivato su qualsiasi substrato (come l'argento), altrimenti avrà dei difetti. "Piuttosto che creare una pila di strati alternati, abbiamo trovato un modo per disporre i materiali fianco a fianco, come cartelle in uno schedario, mantenendo il materiale semiconduttore privo di difetti."

Come passo successivo, il team prevede di indagare su quanto questo metamateriale e altre versioni di esso potrebbero migliorare le applicazioni fotoniche che attualmente soffrono di perdite di segnale.