I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un dispositivo in miniatura in grado di produrre fasci simili a laser di un particolare tipo di onda elettromagnetica chiamata plasmone di superficie. I plasmoni di superficie possono essere focalizzati molto più strettamente delle onde luminose, rendendoli utili per applicazioni come il rilevamento.

Quando la luce è confinata tra due specchi parzialmente riflettenti e amplificata da un materiale tra di loro, il fascio risultante può essere estremamente luminoso e di un solo colore. Questo è il principio di funzionamento del laser, uno strumento utilizzato in tutti gli ambiti della vita moderna dal lettore DVD alla sala operatoria.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati da David Norris, professore presso il Laboratorio di Ingegneria dei Materiali Ottici, e il prof. Dimos Poulikakos, docente presso il Laboratorio di Termodinamica in Tecnologie Emergenti, hanno sviluppato un dispositivo in miniatura che applica lo stesso principio ai cosiddetti plasmoni di superficie. Le onde elettromagnetiche create da un tale laser plasmonico di superficie, o "spazzola", può essere focalizzato molto più strettamente della luce, il che li rende interessanti sia per la ricerca fondamentale che per applicazioni tecniche come il rilevamento.

Una minuscola cavità per i plasmoni di superficie

A differenza delle normali onde luminose, che si propagano liberamente all'interno di un materiale trasparente, I plasmoni di superficie sono costituiti da onde elettromagnetiche strettamente legate alle increspature nella distribuzione degli elettroni sulla superficie di un metallo. Si possono ammirare gli effetti ottici dei plasmoni di superficie, ad esempio, nelle vetrate delle cattedrali medievali. Là, i plasmoni generati su nanoparticelle metalliche all'interno del vetro dalla luce in entrata conferiscono alle finestre i loro colori peculiari e vibranti.

Il team dell'ETH ha ora creato l'equivalente di una cavità laser per plasmoni di superficie progettando superfici d'argento estremamente lisce, al di sopra dei quali due blocchi d'argento leggermente ricurvi, pochi micrometri di lunghezza e appena mezzo micrometro di altezza, sono situati. Questi micro-blocchi agiscono come l'equivalente degli specchi in un laser. Tra i blocchi di superficie i plasmoni possono rimbalzare avanti e indietro molte volte. Finalmente, l'amplificazione necessaria per ottenere un fascio spaser è fornita da punti quantici che sono posti all'interno della cavità. I punti quantici sono minuscole particelle semiconduttrici che si comportano in modo simile ai singoli atomi (a volte vengono chiamati "atomi artificiali") e possono essere prodotti per amplificare le onde elettromagnetiche alla frequenza desiderata.

I ricercatori hanno iniettato i punti quantici nella cavità dello spaser sciogliendoli in un liquido che è stato poi stampato con precisione nanometrica sulla superficie d'argento attraverso un minuscolo ugello, utilizzando una tecnica sviluppata nel laboratorio di Poulikakos. Una volta posizionati la cavità e i punti quantici, i plasmoni di superficie potrebbero essere iniettati nello spaser puntando la luce laser sui punti quantici.

Possibile ulteriore amplificazione

"Nel nostro lavoro abbiamo cercato di integrare gli elementi base di uno spaser in un unico piccolo dispositivo", spiega Jian Cui, un ricercatore postdottorato senior nel gruppo di Norris e autore dello studio recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Progressi scientifici . Oltre alla cavità spaser e al materiale di guadagno, i ricercatori hanno anche incluso un amplificatore che utilizza punti quantici per aumentare ulteriormente la luminosità del raggio plasmonico di superficie una volta che lascia la cavità.

L'amplificatore ha una forma triangolare, in modo tale che i plasmoni non siano solo amplificati, ma si è anche concentrato su una punta di dimensioni nanometriche. Là, le onde elettromagnetiche sono concentrate in un volume molto più piccolo della dimensione più piccola su cui potrebbe essere focalizzata la luce ordinaria. Questa funzione potrebbe essere utilizzata in futuro, ad esempio, per il rilevamento altamente sensibile di molecole biologiche.

Verso circuiti integrati con spaser

Ora che hanno dimostrato che il loro spaser in miniatura funziona, i ricercatori dell'ETH stanno già lavorando al prossimo passo logico. "I nostri metodi di fabbricazione sono molto riproducibili e versatili, quindi ora possiamo pensare di creare circuiti integrati con più elementi:spaser, amplificatori, regioni di rilevamento, e così via", dice il professor Norris.

Il nuovo approccio presenta diversi vantaggi rispetto ai precedenti tentativi di realizzare spaser. Le tecniche precedenti usavano una particella metallica come cavità, che non consentiva l'estrazione del fascio di spaser. La procedura sviluppata all'ETH utilizza un film planare con specchi integrati, che offre ai ricercatori una maggiore libertà di scelta per quanto riguarda le dimensioni e la geometria della cavità, consentendo loro anche di studiare direttamente i plasmoni di superficie.