Un team di ricerca internazionale ha trovato un modo per rendere la conversione di frequenza della luce su scala nanometrica 100 volte più efficiente. Il nuovo metodo si basa su nanoparticelle dielettriche isolate che supportano i cosiddetti stati legati nel continuum. Tali stati compaiono quando i campi radianti nella particella si sopprimono a vicenda, in modo che l'energia elettromagnetica all'interno della particella possa essere intrappolata. Questa previsione può essere impiegata per una nuova generazione di minuscoli dispositivi di conversione di frequenza chiamati nanolaser. La ricerca è stata pubblicata su Lettere di revisione fisica il 19 luglio, 2018.

Uno dei problemi chiave della nanofotonica non lineare è la conversione di frequenza della radiazione elettromagnetica su scala nanometrica. Modificando la frequenza, la radiazione può essere convertita da una banda spettrale all'altra:da terahertz a infrarosso, e dall'infrarosso al visibile. Questa trasformazione può essere effettuata efficacemente da dispositivi macroscopici, ma è una sfida ottenere la conversione di frequenza su scala nanometrica.

L'interazione delle nanoparticelle con la luce è piuttosto speciale a causa delle loro dimensioni molto ridotte. Perciò, al fine di aumentare l'efficienza della conversione di frequenza della luce su scala nanometrica, è necessario ridurre le perdite di energia durante i processi chiave che si verificano nella nanoparticella:immissione di radiazioni, confinamento energetico, e conversione non lineare.

Per risolvere tutti questi problemi, un team internazionale di fisici dell'Università ITMO, Centro di fisica non lineare dell'Australian National University, e l'Università di Brescia in Italia ha proposto di utilizzare nuovi risonatori su nanoscala. Loro sono, in sostanza, nanoparticelle dielettriche a forma di disco ad alto indice di rifrazione che supportano i cosiddetti stati legati nel continuum. Tali stati possono essere creati quando diversi tipi di oscillazioni di energia elettromagnetica nella particella si sopprimono a vicenda. In questo modo, l'energia della luce può essere "bloccata" all'interno della particella.

Matematicamente, l'energia può essere bloccata per sempre, a condizione che i risonatori siano assolutamente ideali. In pratica, è possibile intrappolare la luce per un finito, ancora molto tempo, anche in una singola nanoparticella. Ciò richiede un rapporto ottimale tra la forma delle particelle, dimensione, e materiale.

"Anche se in precedenza abbiamo descritto nanorisonatori dielettrici così particolari, non abbiamo ancora analizzato le loro prospettive pratiche. Ora, insieme ai nostri colleghi italiani Dott. Luca Carletti e Prof. Costantino De Angelis, abbiamo calcolato come questo risonatore genera la luce con una doppia frequenza. I risultati mostrano che questa struttura aiuta ad aumentare l'efficienza dei processi non lineari di due ordini di grandezza. Però, non è stato così facile, poiché dovevamo trovare il modo ottimale per pompare l'energia nel risonatore. Abbiamo scoperto che nel nostro caso, l'onda incidente doveva essere polarizzata in modo da oscillare lungo la tangente al cerchio. Questo coincide con la struttura del campo elettromagnetico all'interno della particella, "dice Kirill Koshelev, membro dell'International Metamaterial Laboratory dell'Università ITMO.

Di conseguenza, il team di ricerca è riuscito a ottenere un'efficienza record di raddoppio della frequenza della luce con nanoparticelle dielettriche. Ora, invece di una centesima parte di una percentuale, è possibile risparmiare fino a diversi punti percentuali dell'energia luminosa durante la conversione. Questo risultato apre la strada al rilevamento sperimentale della radiazione convertita da una nanoparticella, il che significa che il metodo proposto può essere utilizzato in applicazioni pratiche.

"Abbiamo suggerito un progetto di convertitori di luce su scala nanometrica che possono essere utilizzati per varie applicazioni. Ad esempio, possono essere utilizzati in dispositivi di visione notturna a ottica piatta che convertono la radiazione infrarossa in luce visibile. Allo stesso tempo, il materiale dielettrico che abbiamo scelto, arseniuro di alluminio-gallio, ha una tecnologia di fabbricazione matura. Poiché il materiale è ampiamente disponibile, ci aspettiamo che la nostra idea e le nostre previsioni stimoleranno ulteriori progressi nella nanofotonica non lineare e nella meta-ottica, "dice il professor Yuri Kivshar, co-presidente del Dipartimento di Nanofotonica e Metamateriali dell'Università ITMO è anche Distinguished Professor dell'Australian National University.