Una prigione in miniatura per fotoni:questa è la nanocavità scoperta dagli scienziati dell'Università di Twente. È una cavità estremamente piccola circondata da un cristallo ottico, una struttura di pori incisi in due direzioni perpendicolari. Confinare i fotoni in questa cavità 3D può portare a laser e LED minuscoli ed efficienti, memorizzazione di informazioni o sensori di luce ultrasensibili. I risultati sono pubblicati in Revisione fisica B , una delle riviste dell'American Physical Society.

Le tecniche per intrappolare la luce sono alla base della fotonica. Una cavità ben nota è costituita da due specchi tra i quali si formerà un'onda stazionaria di un certo colore di luce, a seconda della distanza tra gli specchi. Questo è il principio di funzionamento di un laser. Ma la luce che fuoriesce lateralmente non verrà mai più riflessa. È possibile intrappolare un fotone all'interno di una "cella di prigione" tridimensionale circondata da specchi? È infatti, i ricercatori UT ora dimostrano. Gli specchi, in questo caso, sono formati da un cristallo fotonico tridimensionale, costituito da pori che sono stati incisi profondamente nel silicio in due direzioni, perpendicolari tra loro.

I cristalli fotonici sono noti per le loro proprietà luminose molto speciali. La struttura e la periodicità dei pori consentono solo alla luce di determinate lunghezze d'onda di propagarsi all'interno del cristallo. Ma come si crea una cavità per intrappolare un fotone in una struttura come questa? Nel loro nuovo documento, i ricercatori UT mostrano che ciò è possibile modificando deliberatamente il diametro di due pori. Al loro punto di attraversamento, si forma un'irregolarità o un difetto all'interno del cristallo. Questa minuscola cavità è circondata dalla struttura cristallina periodica, costringendo il fotone indietro nella cavità. Semplicemente non c'è scampo. "I nostri calcoli mostrano che in questo minuscolo volume della cavità, l'energia ottica viene potenziata fino a 2, 400 volte rispetto all'esterno del cristallo. Questo è un miglioramento molto grande, viste le piccole dimensioni, "dice il dottor Devashish, l'autore principale dell'articolo.

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Alterando localmente la struttura periodica, il cristallo mostra anche un notevole assorbimento della luce visibile, fino a dieci volte l'assorbimento del silicio sfuso. "Questo forte assorbimento, in un volume piccolissimo, è un'ottima proprietà per i nuovi sensori. Grazie all'elevata densità dei pori, il cristallo è molto leggero - chiamiamo anche questo 'holeyness'", Dice il professor Willem Vos. È il leader del gruppo Complex Photonics Systems presso il MESA+ Institute di UT.

Nelle pubblicazioni precedenti, il gruppo ha mostrato che i cristalli fotonici simili a diamanti possono riflettere una gamma molto ampia di colori della luce per tutti gli angoli:questi risultati hanno portato alla nuova scoperta ora presentata. Nelle prossime generazioni di circuiti integrati fotonici (PIC), le nanocavità dovrebbero svolgere un ruolo importante nel trattamento dei segnali ottici, nell'archiviazione delle informazioni o nei dispositivi fotonici quantistici.

La ricerca è stata condotta dal gruppo Complex Photonic Systems, insieme al gruppo di Matematica delle Scienze Computazionali, entrambi del MESA+ Institute di UT.

L'articolo "Cavità a banda proibita fotonica tridimensionale con supporto finito:densità di energia e assorbimento ottico potenziati" è apparso in Revisione fisica B , Edizione febbraio 2019.