L'elettronica viene sempre più abbinata a sistemi ottici, come quando si accede a Internet su un computer gestito elettronicamente tramite cavi in ​​fibra ottica.

Ma l'ottica a maglie, che si basa su particelle di luce chiamate fotoni, con l'elettronica, che si basa sugli elettroni, è una sfida, a causa delle loro scale disparate. Gli elettroni funzionano su una scala molto più piccola della luce. La discrepanza tra sistemi elettronici e sistemi ottici fa sì che ogni volta che un segnale si converte da uno all'altro, l'inefficienza si insinua nel sistema.

Ora, un team guidato da uno scienziato della Purdue University ha trovato un modo per creare metamateriali più efficienti utilizzando semiconduttori e un nuovo aspetto della fisica che amplifica l'attività degli elettroni. Lo studio è pubblicato sulla rivista ottica .

Questa nuova classe di materiali ha il potenziale per aumentare notevolmente la risoluzione nella scansione medica e nell'imaging scientifico e ridurre drasticamente le dimensioni dei supercomputer, creando un futuro in cui gli scienziati possono vedere piccole cose in modo molto più dettagliato e i dispositivi sono più piccoli e più potenti.

Gli scienziati hanno lavorato per decenni per ridurre i fotoni a una scala nanometrica per renderli più compatibili con gli elettroni, un campo noto come nanofononico. Ciò può essere ottenuto utilizzando materiali rarefatti e costose tecniche di produzione per realizzare i cosiddetti materiali iperbolici. Utilizzando materiali iperbolici, gli scienziati possono ridurre i fotoni comprimendo la luce, facilitando l'interfacciamento con gli impianti elettrici.

Evgenii Narimanov, un fisico teorico e professore di ingegneria elettrica e informatica a Purdue, spiegato, "La cosa più importante dei materiali iperbolici è che possono comprimere la luce su quasi tutte le scale. Quando puoi ridurre la luce, risolvete il problema della disconnessione tra ottica ed elettronica. Quindi puoi realizzare un'optoelettronica molto efficiente."

Il problema sta nella creazione di questi materiali iperbolici. Sono tipicamente costituiti da strati intrecciati di metalli e dielettrici, e ogni superficie deve essere il più possibile liscia e priva di difetti a livello atomico, qualcosa di difficile, lungo e costoso.

La soluzione, Narimanov crede, include i semiconduttori. Non, ha sottolineato, a causa di qualcosa di speciale sui semiconduttori stessi. Ma perché scienziati e ricercatori hanno dedicato gli ultimi 70 anni o più alla produzione efficiente di semiconduttori di alta qualità. Narimanov si chiedeva se poteva sfruttare quella competenza e applicarla alla produzione di metamateriali nuovi e migliorati.

Sfortunatamente, i semiconduttori non producono metamateriali ottici intrinsecamente buoni; non hanno abbastanza elettroni. Possono funzionare a frequenze relativamente basse, nella scala del medio e lontano infrarosso. Ma per migliorare le tecnologie di imaging e rilevamento, gli scienziati hanno bisogno di metamateriali che funzionino nel visibile sullo spettro del vicino infrarosso, a lunghezze d'onda molto più corte rispetto al medio e lontano infrarosso.

Narimanov ei suoi collaboratori hanno scoperto e testato un fenomeno ottico chiamato "risonanza balistica". In questi nuovi materiali ottici, che combinano concetti di metamateriale con la precisione atomica dei semiconduttori a cristallo singolo, gli elettroni liberi (balistici) interagiscono con un campo ottico oscillante.

Sincronizzare il campo ottico con la frequenza del moto degli elettroni liberi mentre rimbalzano all'interno dei confini dei sottili strati conduttori, formare il materiale composito, fa risuonare gli elettroni, potenziando la reazione di ciascun elettrone e creando un metamateriale che lavora a frequenze più alte. Mentre i ricercatori non erano ancora in grado di raggiungere le lunghezze d'onda dello spettro visibile, hanno ottenuto il 60% del percorso lì.

"Abbiamo dimostrato che esiste un meccanismo fisico che lo rende possibile, " Narimanov ha detto. "Prima, la gente non si rendeva conto che era qualcosa che si poteva fare. Abbiamo aperto la strada. Abbiamo mostrato che è teoricamente possibile, e poi abbiamo dimostrato sperimentalmente un miglioramento del 60% nella frequenza operativa rispetto ai materiali esistenti".

Narimanov ha dato origine all'idea e poi ha collaborato con Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank e Daniel Wasserman dell'Università del Texas, così come Evan Simmons e Viktor Podolskiy all'Università del Massachusetts Lowell. I ricercatori dell'Università del Texas hanno sviluppato la tecnologia di fabbricazione, mentre gli scienziati del Massachusetts Lowell hanno contribuito alla teoria quantistica completa ed eseguito le simulazioni numeriche per assicurarsi che tutto funzionasse come previsto.

"Continueremo a spingere questa frontiera, " Ha detto Narimanov. "Anche se abbiamo un enorme successo, nessuno riuscirà a portare metamateriali semiconduttori nello spettro visibile e nel vicino infrarosso entro un anno o due. Potrebbero volerci circa cinque anni. Ma quello che abbiamo fatto è fornire la piattaforma materiale. Il collo di bottiglia per la fotonica è nel materiale in cui elettroni e fotoni possono incontrarsi sulla stessa scala di lunghezza, e abbiamo risolto".