Il rilevamento ottico della temperatura non invasivo è essenziale per il monitoraggio remoto dei processi di fabbricazione, in situazioni in cui il campione deve essere isolato dall'ambiente, a temperature estreme o in rapido cambiamento, e in presenza di campi magnetici forti e variabili. I sensori di temperatura ottici misurano gli spostamenti di frequenza delle risonanze ottiche e spesso richiedono lunghi percorsi ottici per compensare coefficienti termo-ottici molto piccoli dei materiali.

Però, una fase della luce è una variabile ciclica, che è indefinito nel punto di completa interferenza distruttiva, e varia rapidamente in prossimità di questo punto. Per esempio, uno sfasamento dell'onda piana riflessa da un'interfaccia planare mostra un comportamento singolare a frequenze in cui la riflettanza superficiale svanisce. Le caratteristiche spettrali asimmetriche strette nella risposta di fase del sensore vicino a tali punti singolari sono molto sensibili a qualsiasi cambiamento ambientale e possono essere utilizzate per migliorare la sensibilità dei sensori remoti con trasduzione ottica.

Le metasuperfici plasmoniche possono essere progettate per raggiungere la condizione di fase singola, tuttavia, ciò richiede in genere una progettazione elettromagnetica complessa e tecniche di fabbricazione a bassa produttività come la litografia a fascio di elettroni. In un nuovo lavoro, un team internazionale guidato da una ricercatrice del MIT, la dott.ssa Svetlana Boriskina, ha sviluppato una piattaforma di rilevamento in fase singola planare semplice e robusta per il rilevamento della temperatura a distanza, che non richiede nano-patterning e mostra un comportamento in fase singolare dovuto all'eccitazione di stati superficiali Tamm topologicamente protetti.

I ricercatori hanno progettato gli stati di Tamm sulle interfacce di materiale planare tra il metallo e i film sottili dielettrici utilizzando il principio di corrispondenza del limite di massa adottato dalla fisica dei materiali topologici e l'approccio di corrispondenza dell'impedenza coniugata preso in prestito dalla teoria dell'antenna. Hanno dimostrato il rilevamento della temperatura in fase singola con un miglioramento di oltre un ordine di grandezza nella sensibilità del sensore e un miglioramento di oltre due ordini di grandezza nella figura di merito rispetto all'approccio standard di misurazione degli spostamenti delle caratteristiche di risonanza negli spettri di riflettanza dello stesso sensore.

Le strutture planari che supportano gli stati interfacciali Tamm possono essere fabbricate utilizzando una varietà di materiali, compresi quelli compatibili con le tecnologie standard dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS). Le lunghezze d'onda di risonanza dei sensori Tamm sono altamente sintonizzabili, e non dipendono direttamente dalla frequenza del plasma del materiale assorbente. I sensori sono suscettibili di fabbricazione rapida e su larga scala mediante sputtering o tecniche di deposizione di vapore.

A differenza dei sensori plasmonici nano-modellati, i rilevatori planari Tamm possono essere utilizzati in condizioni ambientali difficili, compresa l'atmosfera corrosiva e le alte temperature, che può causare una grave degradazione della struttura superficiale nanostrutturata. Sebbene gli assorbitori Tamm sviluppati fossero caratterizzati solo come sensori di temperatura, offrono un semplice, piattaforma sensibile e sintonizzabile per un'ampia varietà di applicazioni di rilevamento, tra cui il monitoraggio di eventi di legame bio/chimico superficiale e il rilevamento ambientale.

I risultati di questo lavoro sono riportati nel Fotonica ACS paper "Ingegneria topologica degli stati Tamm ottici interfacciali per il rilevamento ottico in fase quasi singolare altamente sensibile".