Un'antenna è un dispositivo in grado di trasmettere efficacemente, raccogliere, e reindirizzare le radiazioni elettromagnetiche. Tipicamente, le antenne sono dispositivi macroscopici che operano nel raggio delle radio e delle microonde. Però, esistono dispositivi ottici simili (Fig. 1). Le lunghezze d'onda della luce visibile ammontano a diverse centinaia di nanometri. Come conseguenza, le antenne ottiche sono, per necessità, dispositivi di dimensioni nanometriche. nanoantenne ottiche, che può mettere a fuoco, diretto, e trasmettere efficacemente la luce, avere una vasta gamma di applicazioni, compresa la trasmissione di informazioni su canali ottici, fotorilevamento, microscopia, tecnologia biomedica, e anche accelerare le reazioni chimiche.

Affinché un'antenna raccolga e trasmetta segnali in modo efficiente, i suoi elementi devono essere risonanti. Nella banda radiofonica, tali elementi sono pezzi di filo. Nella gamma ottica, nanoparticelle d'argento e d'oro con risonanze plasmoniche (Fig. 2a) sono state a lungo utilizzate per questo scopo. I campi elettromagnetici in tali particelle possono essere localizzati su una scala di 10 nanometri o meno, ma la maggior parte dell'energia del campo viene sprecata a causa del riscaldamento Joule del metallo conduttore. Le particelle di materiali dielettrici come il silicio con alti indici di rifrazione alle frequenze della luce visibile costituiscono una nuova alternativa alle nanoparticelle plasmoniche. Quando la dimensione della particella dielettrica e la lunghezza d'onda della luce sono giuste, la particella supporta risonanze ottiche chiamate risonanze di Mie (Fig. 2b). Poiché le proprietà dei materiali dei dielettrici sono diverse da quelle dei metalli, è possibile ridurre significativamente il riscaldamento resistivo sostituendo le nanoantenne plasmoniche con analoghi dielettrici.

La caratteristica fondamentale di un materiale che determina i parametri di risonanza di Mie è l'indice di rifrazione. Le particelle realizzate con materiali ad alto indice di rifrazione hanno risonanze caratterizzate da fattori di alta qualità. Ciò significa che in questi materiali, le oscillazioni elettromagnetiche durano più a lungo senza eccitazione esterna. Inoltre, indici di rifrazione più elevati corrispondono a diametri delle particelle più piccoli, consentendo dispositivi ottici in miniatura. Questi fattori rendono i materiali ad alto indice, vale a dire, quelli con alti indici di rifrazione, più adatti per l'implementazione di nanoantenne dielettriche.

Nel loro articolo pubblicato su ottica , i ricercatori esaminano sistematicamente i materiali ad alto indice disponibili in termini di risonanze nelle gamme spettrali del visibile e dell'infrarosso. I materiali di questo tipo includono semiconduttori e cristalli polari come il carburo di silicio. Per illustrare il comportamento di vari materiali, gli autori presentano i fattori di qualità associati, che indicano quanto velocemente si estinguono le oscillazioni eccitate dalla luce incidente. L'analisi teorica ha permesso ai ricercatori di identificare il silicio cristallino come il miglior materiale disponibile per la realizzazione di antenne dielettriche operanti nel visibile. Il germanio ha superato altri materiali nella banda infrarossa. Nella parte del medio infrarosso dello spettro, un composto di germanio e tellurio ha ottenuto i risultati migliori (Fig. 3).

Ci sono limitazioni fondamentali al valore del fattore qualità. Si scopre che alti indici di rifrazione nei semiconduttori sono associati a transizioni interbanda di elettroni, che comportano inevitabilmente l'assorbimento di energia trasportata dalla luce incidente. Questo assorbimento porta a sua volta ad una riduzione del fattore qualità, oltre al riscaldamento, che i ricercatori stanno cercando di eliminare. C'è, perciò, un delicato equilibrio tra un alto indice di rifrazione e perdita di energia.

"Questo studio offre il quadro più completo dei materiali ad alto indice, mostrando quale di loro è ottimale per fabbricare una nanoantenna operante in questa gamma spettrale, e perché fornisce un'analisi dei processi produttivi coinvolti, " dice Dmitry Zuev, ricercatore presso il laboratorio di metamateriali della Facoltà di Fisica e Ingegneria, Università ITMO. "Questo ci permette di selezionare un materiale, così come la tecnica di fabbricazione desiderata, tenendo conto dei requisiti imposti dalla loro situazione specifica. Questo è un potente strumento che fa progredire la progettazione e la realizzazione sperimentale di un'ampia gamma di dispositivi nanofotonici dielettrici".

Secondo la panoramica delle tecniche di produzione, silicio, germanio, e l'arseniuro di gallio sono i dielettrici ad alto indice più studiati utilizzati nella nanofotonica. È disponibile un'ampia gamma di metodi per la produzione di nanoantenne risonanti basate su questi materiali, compresa litografica, chimico, e metodi laser assistiti. Però, nel caso di alcuni materiali, non è stata sviluppata alcuna tecnologia per la fabbricazione di nanoparticelle risonanti. Per esempio, i ricercatori devono ancora trovare modi per realizzare nanoantenne dal tellururo di germanio, le cui proprietà nel medio infrarosso sono state ritenute le più interessanti dall'analisi teorica.

"Il silicio è attualmente, oltre ogni dubbio, il materiale più utilizzato nella produzione di nanoantenne dielettriche, "dice Denis Baranov, un dottorato di ricerca studente al MIPT. "È conveniente, e le tecniche di fabbricazione a base di silicio sono ben consolidate. Anche, e questo è importante, è compatibile con la tecnologia CMOS, uno standard industriale nell'ingegneria dei semiconduttori. Ma il silicio non è l'unica opzione. Potrebbero esistere altri materiali con indici di rifrazione ancora più elevati nel campo ottico. Se vengono scoperti, questo significherebbe una grande notizia per la nanofotonica dielettrica".

I risultati della ricerca ottenuti dal team potrebbero essere utilizzati dagli ingegneri della nanofotonica per sviluppare nuove nanoantenne risonanti basate su materiali dielettrici ad alto indice. Inoltre, il documento suggerisce ulteriori lavori teorici e sperimentali dedicati alla ricerca di altri materiali ad alto indice con proprietà superiori da utilizzare in nuove nanoantenne dielettriche migliorate. Tali materiali potrebbero, tra l'altro, essere utilizzato per aumentare considerevolmente l'efficienza del raffreddamento radiativo delle celle solari, che costituirebbe un importante progresso tecnologico.