Scienziati dell'Università statale di Mosca Lomonosov, insieme ai loro colleghi russi e stranieri, hanno realizzato le prime misurazioni dirette di giganteschi campi elettromagnetici emergenti in particelle dielettriche ad alto indice di rifrazione alla diffusione delle onde elettromagnetiche. I ricercatori hanno presentato i risultati del loro progetto in Rapporti scientifici .

La miniaturizzazione degli elementi di base dell'elettronica richiede nuovi approcci. È quindi diventato molto importante creare campi elettromagnetici intensi concentrati nel minor volume possibile. Scienziati dell'Università statale di Mosca Lomonosov in collaborazione con un team internazionale hanno condotto le prime misurazioni dirette di un campo risonante gigante eccitato all'interno di una particella dielettrica di lunghezza d'onda inferiore alla diffusione di un'onda elettromagnetica piana e hanno fornito la spiegazione teorica quantitativa completa dell'effetto osservato.

Il fisico Michael Tribelsky, l'autore principale, dice, "In teoria, questo effetto è noto. In questo caso, la particella di dispersione funge da imbuto, raccogliendo la radiazione incidente da una vasta area e concentrandola in un piccolo volume all'interno della particella. Però, ci sono molte difficoltà sulla via della realizzazione pratica. Le nanoparticelle metalliche sono state le prime candidate per tali "concentratori di campo". Sfortunatamente, hanno deluso le aspettative. Il punto è che i metalli hanno elevate perdite dissipative nelle aree di applicazione più interessanti delle frequenze di luce visibile delle onde incidenti. La dissipazione porta a notevoli perdite di energia, sprecato per il riscaldamento infruttuoso (e spesso dannoso) della nanoparticella, e diminuisce il potenziamento risonante del campo elettromagnetico. In tal caso, sarebbe naturale rivolgersi a particelle dielettriche. Sfortunatamente, non è così semplice trattare con loro."

Se una particella non ha un alto indice di rifrazione, gli effetti di risonanza sono deboli. Per quanto riguarda le particelle ad alto indice, la cui dimensione è inferiore alla lunghezza d'onda della radiazione incidente, la credenza comune era che il campo elettromagnetico penetrasse a malapena in tale particella. Però, si scopre che ad alcune frequenze della radiazione incidente, il caso è esattamente l'opposto. Vale a dire, il campo non solo penetra nella particella, ma si può osservare la sua alta concentrazione. In un senso, l'effetto è analogo all'arco di un'oscillazione dovuto a spinte deboli ma tempestive.

"Il nostro risultato principale è che, al meglio delle nostre conoscenze, siamo i primi ad ottenere l'evidenza sperimentale diretta dell'effetto e misurare i profili dei campi eccitati, "dice Michael Tribelsky.

Le difficoltà delle corrispondenti misurazioni alle frequenze ottiche sono legate alla necessità di misurare i campi all'interno di una nanoparticella, e la risoluzione spaziale delle misurazioni deve essere dell'ordine dei nanometri. I ricercatori hanno modellato la diffusione della luce da parte di una nanoparticella mediante la diffusione identica delle onde radio da parte di una particella delle dimensioni di un centimetro. Per poter muovere una sonda all'interno della particella, è stato impiegato dielettrico liquido (normale acqua distillata tenuta ad una certa temperatura fissa) versato in un contenitore trasparente per le onde radio incidenti.

Il risultato si trova proprio all'avanguardia degli studi moderni sull'ottica a lunghezza d'onda inferiore (ovvero l'ottica che si occupa di oggetti le cui scale sono più piccole della lunghezza d'onda della radiazione incidente). Questi fenomeni hanno applicazioni anche in medicina (diagnosi e cura di malattie, compreso il cancro; somministrazione mirata di farmaci e altri), biologia (vari sensori e marcatori), telecomunicazioni (nanoantenne) e sistemi per la registrazione e l'archiviazione di informazioni e altri ambiti. Potrebbe anche essere utilizzato per la creazione di nuovi rivoluzionari computer ottici in cui l'informazione viene trasferita non da impulsi elettrici ma da pacchetti di luce.

Lo scienziato dice, "In una prospettiva ampia, il nostro progetto potrebbe avviare la creazione di un nuovo panorama per la progettazione e la fabbricazione di nanodispositivi e metamateriali super-miniaturizzati, ovvero materiali formati e strutturati artificialmente in modo speciale per possedere proprietà elettromagnetiche insolite".