Comprendere come le onde luminose oscillano nel tempo mentre interagiscono con i materiali è essenziale per comprendere il trasferimento di energia guidato dalla luce nei materiali, come celle solari o impianti. A causa delle velocità straordinariamente elevate a cui oscillano le onde luminose, però, gli scienziati devono ancora sviluppare un dispositivo compatto con una risoluzione temporale sufficiente per catturarli direttamente.

Ora, un team guidato da ricercatori del MIT ha dimostrato dispositivi su scala di chip in grado di tracciare direttamente il debole campo elettrico delle onde luminose mentre cambiano nel tempo. Il loro dispositivo, che incorpora un microchip che utilizza brevi impulsi laser e antenne su nanoscala, è facile da usare, non richiedono un ambiente speciale per il funzionamento, parametri laser minimi, ed elettronica di laboratorio convenzionale.

Il lavoro di squadra, pubblicato all'inizio di questo mese in Fotonica della natura , può consentire lo sviluppo di nuovi strumenti per le misurazioni ottiche con applicazioni in settori quali la biologia, medicinale, la sicurezza alimentare, rilevamento del gas, e scoperta di farmaci.

"Le potenziali applicazioni di questa tecnologia sono molteplici, ", afferma il co-autore Phillip Donnie Keathley, capogruppo e ricercatore del Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE). "Ad esempio, utilizzando questi dispositivi di campionamento ottico, i ricercatori saranno in grado di comprendere meglio i percorsi di assorbimento ottico negli impianti e nel fotovoltaico, o per identificare meglio le firme molecolari in sistemi biologici complessi".

I coautori di Keathley sono l'autrice principale Mina Bionta, un postdoc senior presso RLE; Felix Ritzkowsky, uno studente laureato presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) e l'Università di Amburgo che era uno studente in visita al MIT; e Marco Turchetti, uno studente laureato in RLE. Il team era guidato da Keathley che lavorava con i professori Karl Berggren del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT; Franz Kärtner del DESY e dell'Università di Amburgo in Germania; e William Putnam dell'Università della California a Davis. Altri coautori sono Yujia Yang, un ex postdoc del MIT ora all'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), e Dario Cattozzo Mor, un ex studente in visita.

L'ultraveloce incontra l'ultrapiccolo:il tempo si ferma in capo a uno spillo

I ricercatori hanno cercato a lungo metodi per misurare i sistemi man mano che cambiano nel tempo. Monitoraggio delle onde gigahertz, come quelli usati per il tuo telefono o router Wi-Fi, richiede una risoluzione temporale inferiore a 1 nanosecondo (un miliardesimo di secondo). Per tracciare le onde luminose visibili è necessaria una risoluzione temporale ancora più rapida, inferiore a 1 femtosecondo (un milionesimo di un miliardesimo di secondo).

I team di ricerca del MIT e del DESY hanno progettato un microchip che utilizza brevi impulsi laser per creare lampi elettronici estremamente veloci sulle punte delle antenne su nanoscala. Le antenne su nanoscala sono progettate per migliorare il campo del breve impulso laser al punto da essere abbastanza forti da strappare gli elettroni dall'antenna, creando un flash elettronico che si deposita rapidamente in un elettrodo collettore. Questi lampi elettronici sono estremamente brevi, della durata di poche centinaia di attosecondi (pochi centomiliardesimi di un miliardesimo di 1 secondo).

Usando questi flash veloci, i ricercatori sono stati in grado di scattare istantanee di onde luminose molto più deboli che oscillano mentre passano accanto al chip.

"Questo lavoro mostra, ancora una volta, come la fusione tra nanofabbricazione e fisica ultraveloce può portare a intuizioni entusiasmanti e nuovi strumenti di misurazione ultraveloci, "dice il professor Peter Hommelhoff, cattedra di fisica laser presso l'Università di Erlangen-Norimberga, che non era legato a questo lavoro. "Tutto questo si basa sulla profonda comprensione della fisica sottostante. Sulla base di questa ricerca, ora possiamo misurare forme d'onda di campo ultraveloci di impulsi laser molto deboli."

La capacità di misurare direttamente le onde luminose nel tempo andrà a beneficio sia della scienza che dell'industria, dicono i ricercatori. Mentre la luce interagisce con i materiali, le sue onde sono alterate nel tempo, lasciando le firme delle molecole all'interno. Questa tecnica di campionamento del campo ottico promette di catturare queste firme con maggiore fedeltà e sensibilità rispetto ai metodi precedenti, utilizzando una tecnologia compatta e integrabile necessaria per le applicazioni del mondo reale.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.