Un team internazionale di ricercatori dell'Università ITMO, l'Università nazionale australiana, e la Korea University hanno intrappolato sperimentalmente un'onda elettromagnetica in un nanorisonatore all'arseniuro di gallio di poche centinaia di nanometri per un tempo record. I primi tentativi di intrappolare la luce per così tanto tempo hanno avuto successo solo con risonatori molto più grandi. Inoltre, i ricercatori hanno fornito prove sperimentali che questo risonatore può essere utilizzato come base per un efficiente nanoconvertitore di frequenza della luce. I risultati di questa ricerca hanno suscitato grande interesse nella comunità scientifica e sono stati pubblicati in Scienza , una delle principali riviste accademiche del mondo. Gli scienziati hanno fornito suggerimenti su opportunità drasticamente nuove per l'ottica a lunghezze d'onda e la nanofotonica, compreso lo sviluppo di sensori compatti, dispositivi per la visione notturna, e tecnologie di trasmissione dati ottica.

Il problema della manipolazione delle proprietà delle onde elettromagnetiche su scala nanometrica è di fondamentale importanza nella fisica moderna. Usando la luce, possiamo trasferire dati su lunghe distanze, registrare e leggere i dati, ed eseguire altre operazioni critiche per l'elaborazione dei dati. Per fare questo, la luce deve essere intrappolata in un piccolo spazio e trattenuta lì per un lungo periodo di tempo, che è qualcosa che i fisici sono riusciti a fare solo con oggetti di dimensioni significative, maggiore della lunghezza d'onda della luce. Ciò limita l'uso di segnali ottici nell'optoelettronica.

Due anni fa, un team di ricerca internazionale dell'Università ITMO, l'Università nazionale australiana, e l'Istituto Ioffe aveva teoricamente previsto un nuovo meccanismo che consente agli scienziati di intrappolare la luce in risonatori in miniatura molto più piccoli della lunghezza d'onda della luce e misurati in centinaia di nanometri. Però, fino a poco tempo fa, nessuno aveva messo in pratica il meccanismo.

Un team internazionale di ricercatori dell'Università ITMO, l'Università nazionale australiana, e la Korea University è stata riunita per dimostrare questa ipotesi. Primo, hanno sviluppato il concetto:l'arseniuro di gallio è stato scelto come materiale chiave, essendo un semiconduttore con un alto indice di rifrazione e una forte risposta non lineare nel vicino infrarosso. I ricercatori hanno anche deciso la forma ottimale per il risonatore in grado di intrappolare in modo efficiente le radiazioni elettromagnetiche.

Per intrappolare la luce in modo efficiente, il raggio deve essere riflesso dai confini interni dell'oggetto il maggior numero di volte possibile senza sfuggire al risonatore. Si potrebbe supporre che la soluzione migliore sia rendere l'oggetto il più complesso possibile. Infatti, è proprio l'opposto:più piani ha un corpo, è più probabile che la luce sfugga ad essa. La forma quasi ideale per questo caso era un cilindro, che possiede il numero minimo di confini. Una domanda che restava da risolvere era quale rapporto tra diametro e altezza sarebbe stato il più efficace per intrappolare la luce. Dopo calcoli matematici, l'ipotesi doveva essere confermata sperimentalmente.

"Abbiamo usato l'arseniuro di gallio per creare cilindri di circa 700 nanometri di altezza e con diametri variabili vicini ai 900 nanometri. Sono quasi invisibili ad occhio nudo. Come hanno dimostrato i nostri esperimenti, la particella di riferimento aveva catturato la luce per un tempo superiore a 200 volte il periodo di un'oscillazione d'onda. Generalmente, per particelle di quella dimensione il rapporto è da cinque a dieci periodi di oscillazioni d'onda. E abbiamo ottenuto 200! "dice Kirill Koshelev, il primo co-autore dell'articolo.

Gli scienziati hanno diviso il loro studio in due parti:una è una conferma sperimentale della teoria espressa in precedenza, e l'altro è un esempio di come potrebbero essere utilizzati tali risonatori. Ad esempio, la trappola è stata utilizzata per un nanodispositivo in grado di modificare la frequenza, e quindi colore, di un'onda luminosa. Passando attraverso questo risonatore, il raggio infrarosso divenne rosso, diventando visibile all'occhio umano.

La conversione di frequenza delle oscillazioni elettromagnetiche non è l'unica applicazione di questa tecnologia. Ha anche potenziali applicazioni in vari dispositivi di rilevamento e persino speciali rivestimenti in vetro che renderebbero possibile produrre una visione notturna colorata.

"Se il risonatore è in grado di intrappolare efficacemente la luce, poi mettendo, dire, una molecola accanto ad essa aumenterà l'efficienza dell'interazione della molecola con la luce di un ordine di grandezza, e la presenza anche di una singola molecola può essere facilmente rilevata sperimentalmente. Questo principio può essere utilizzato nello sviluppo di biosensori altamente sensibili. A causa della capacità dei risonatori di modificare la lunghezza d'onda della luce, possono essere utilizzati nei dispositivi di visione notturna. Dopotutto, anche nell'oscurità, ci sono onde elettromagnetiche infrarosse che sono invisibili all'occhio umano. Trasformando la loro lunghezza d'onda, potevamo vedere al buio. Tutto quello che devi fare è applicare questi cilindri ai vetri o al parabrezza di un'auto. Sarebbero invisibili agli occhi ma ci permetterebbero comunque di vedere molto meglio al buio di quanto possiamo fare da soli, " spiega Kirill Koshelev.

Oltre all'arseniuro di gallio, tali trappole possono essere realizzate utilizzando altri dielettrici o semiconduttori, come, ad esempio, silicio, che è il materiale più comune nella moderna microelettronica. Anche, la forma ottimale per intrappolare la luce, ovvero il rapporto tra il diametro di un cilindro e la sua altezza, può essere scalato per creare trappole più grandi.