Uno schema pittorico descrive la struttura e l'azione di una metasuperficie plasmonica nanostrutturata che modula la luce polarizzata a frequenze terahertz. Un impulso laser ultracorto (verde) eccita strutture plasmoniche a forma di croce, che ruotano la polarità di un secondo impulso luminoso (bianco) che arriva meno di un picosecondo dopo il primo. Credito:A. Assié
Ingegneri statunitensi e italiani hanno dimostrato la prima piattaforma nanofotonica in grado di manipolare la luce polarizzata 1 trilione di volte al secondo.
"La luce polarizzata può essere utilizzata per codificare bit di informazioni, e abbiamo dimostrato che è possibile modulare tale luce a frequenze terahertz, " ha detto Alessandro Alabastri della Rice University, co-autore corrispondente di uno studio pubblicato questa settimana in Fotonica della natura .
"Questo potrebbe essere potenzialmente utilizzato nelle comunicazioni wireless, " disse Alabastri, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Brown School of Engineering di Rice. "Più alta è la frequenza operativa di un segnale, più velocemente può trasmettere i dati. Un terahertz è uguale a 1, 000 gigahertz, che è circa 25 volte superiore alle frequenze operative degli interruttori di polarizzazione ottici disponibili in commercio."
La ricerca è stata una collaborazione tra i team sperimentali e teorici della Rice, il Politecnico di Milano (Politecnico) e l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova. Questa collaborazione è iniziata nell'estate del 2017, quando il co-primo autore dello studio Andrea Schirato era uno studioso in visita nel laboratorio Rice del fisico e co-autore Peter Nordlander. Schirato è un dottorando congiunto Politecnico-IIT sotto la supervisione del coautore Giuseppe Della Valle del Politecnico e del coautore Remo Proietti Zaccaria dell'IIT.
Ciascuno dei ricercatori lavora in nanofotonica, un campo in rapida crescita che utilizza ultrasmall, strutture ingegnerizzate per manipolare la luce. La loro idea per il controllo della polarizzazione ultraveloce era di capitalizzare su piccoli, variazioni fugaci nella generazione di elettroni ad alta energia in una metasuperficie plasmonica.
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione della metasuperficie plasmonica nanostrutturata che gli ingegneri della Rice University, il Politecnico di Milano e l'Istituto Italiano di Tecnologia nato per modulare la luce polarizzata a frequenze terahertz. Crediti:Andrea Toma/IIT
Le metasuperfici sono pellicole o fogli ultrasottili che contengono nanoparticelle incorporate che interagiscono con la luce mentre passa attraverso la pellicola. Variando le dimensioni, forma e composizione delle nanoparticelle incorporate e disponendole in precisi schemi geometrici bidimensionali, gli ingegneri possono creare metasuperfici che dividono o reindirizzano specifiche lunghezze d'onda della luce con precisione.
"Una cosa che differenzia questo da altri approcci è la nostra dipendenza da un meccanismo intrinsecamente ultraveloce a banda larga che sta avvenendo nelle nanoparticelle plasmoniche, " disse Alabastri.
Il team Rice-Politecnico-IIT ha progettato una metasuperficie che conteneva file di nanoparticelle d'oro a forma di croce. Ogni croce plasmonica era larga circa 100 nanometri e risuonava con una specifica frequenza di luce che dava origine a un campo elettromagnetico localizzato potenziato. Grazie a questo effetto plasmonico, la metasuperficie del team era una piattaforma per la generazione di elettroni ad alta energia.
"Quando un impulso di luce laser colpisce una nanoparticella plasmonica, eccita gli elettroni liberi al suo interno, elevando alcuni a livelli di alta energia che sono fuori equilibrio, "Schirato ha detto. "Ciò significa che gli elettroni sono 'scomodi' e desiderosi di tornare a uno stato più rilassato. Tornano all'equilibrio in brevissimo tempo, meno di un picosecondo."
Nonostante la disposizione simmetrica delle croci nella metasuperficie, lo stato di non equilibrio ha proprietà asimmetriche che scompaiono quando il sistema ritorna in equilibrio. Per sfruttare questo fenomeno ultraveloce per il controllo della polarizzazione, i ricercatori hanno utilizzato una configurazione a due laser. Gli esperimenti condotti dalla co-prima autrice dello studio Margherita Maiuri presso i laboratori di spettroscopia ultraveloce del Politecnico - e confermati dalle previsioni teoriche del team - hanno utilizzato un impulso di luce ultracorto da un laser per eccitare le croci, permettendo loro di modulare la polarizzazione della luce in un secondo impulso arrivato a meno di un picosecondo dal primo.
"Il punto chiave è che potremmo ottenere il controllo della luce con la luce stessa, sfruttando meccanismi elettronici ultraveloci peculiari delle metasuperfici plasmoniche, " ha detto Alabastri. "Progettando adeguatamente le nostre nanostrutture, abbiamo dimostrato un nuovo approccio che potenzialmente ci consentirà di trasmettere otticamente informazioni a banda larga codificate nella polarizzazione della luce con una velocità senza precedenti".
