Gli ingegneri elettrici della Duke University hanno scoperto che la modifica della forma fisica di una classe di materiali comunemente usati nell'elettronica e nella fotonica nel vicino e medio infrarosso, gli occhiali al calcogenuro, può estenderne l'uso alle parti visibile e ultravioletta dello spettro elettromagnetico. Già commercialmente utilizzato nei rilevatori, lenti e fibre ottiche, gli occhiali al calcogenuro possono ora trovare una casa in applicazioni come le comunicazioni subacquee, monitoraggio ambientale e imaging biologico.

I risultati appaiono online il 5 ottobre sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

Come il nome suggerisce, i bicchieri di calcogenuro contengono uno o più calcogeni, elementi chimici come zolfo, selenio e tellurio. Ma c'è un membro della famiglia che tralasciano:l'ossigeno. Le loro proprietà del materiale li rendono una scelta forte per applicazioni elettroniche avanzate come la commutazione ottica, scrittura laser diretta ultra-piccola (si pensi a piccoli CD riscrivibili) e fingerprinting molecolare. Ma poiché assorbono fortemente le lunghezze d'onda della luce nelle parti visibile e ultravioletta dello spettro elettromagnetico, i vetri calcogenuri sono stati a lungo vincolati al vicino e medio infrarosso per quanto riguarda le loro applicazioni nella fotonica.

"I calcogenuri sono stati usati nel vicino e medio IR per molto tempo, ma hanno sempre avuto questa limitazione fondamentale di essere con perdite alle lunghezze d'onda visibili e UV, " ha detto Natalia Litchinitser, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Ma ricerche recenti su come le nanostrutture influenzano il modo in cui questi materiali rispondono alla luce hanno indicato che potrebbe esserci un modo per aggirare queste limitazioni".

In recenti ricerche teoriche sulle proprietà dell'arseniuro di gallio (GaAs), un semiconduttore comunemente usato in elettronica, I collaboratori di Litchinitser, Michael Scalora del CCDC Aviation and Missile Center dell'esercito americano e Maria Vincenti dell'Università di Brescia hanno previsto che il GaAs nanostrutturato potrebbe rispondere alla luce in modo diverso rispetto alle sue controparti sfuse o addirittura a film sottile. A causa del modo in cui gli impulsi ottici ad alta intensità interagiscono con il materiale nanostrutturato, fili molto sottili del materiale allineati uno accanto all'altro potrebbero creare frequenze armoniche di ordine superiore (lunghezze d'onda più corte) che potrebbero attraversarli.

Immagina una corda di chitarra accordata per risuonare a 256 Hertz, altrimenti nota come Do centrale. I ricercatori stavano proponendo che, se fabbricata nel modo giusto, questa corda quando pizzicata potrebbe anche vibrare a frequenze di una o due ottave più alte in piccole quantità.

Litchinitser e il suo dottorato di ricerca. lo studente Jiannan Gao ha deciso di vedere se lo stesso potrebbe essere vero per gli occhiali di calcogenuro. Per testare la teoria, i colleghi del Naval Research Laboratory hanno depositato un film sottile di 300 nanometri di trisolfuro di arsenico su un substrato di vetro che è stato successivamente nanostrutturato utilizzando litografia a fascio di elettroni e incisione ionica reattiva per produrre nanofili di trisolfuro di arsenico di 430 nanometri di larghezza e 625 nanometri di distanza.

Anche se il trisolfuro di arsenico assorbe completamente la luce sopra i 600 THz, all'incirca il colore del ciano, i ricercatori hanno scoperto che i loro nanofili trasmettevano piccoli segnali a 846 THz, che è esattamente nello spettro ultravioletto.

"Abbiamo scoperto che l'illuminazione di una metasuperficie fatta di nanofili progettati con giudizio con luce nel vicino infrarosso ha provocato la generazione e la trasmissione sia della frequenza originale che della sua terza armonica, che era molto inaspettato perché la terza armonica cade nella gamma in cui il materiale dovrebbe assorbirla, ", ha detto Litchinitser.

Questo risultato controintuitivo è dovuto all'effetto della generazione non lineare della terza armonica e al suo "aggancio di fase" con la frequenza originale. "L'impulso iniziale intrappola la terza armonica e in qualche modo inganna il materiale facendoli passare entrambi senza alcun assorbimento, ", ha detto Litchinitser.

Andando avanti, Litchinitser e i suoi colleghi stanno lavorando per vedere se possono progettare diverse forme di calcogenuri in grado di trasportare questi segnali armonici anche meglio delle nanostrisce iniziali. Per esempio, credono che le coppie di lunghi, magro, I blocchi simili a Lego distanziati a determinate distanze potrebbero creare un segnale più forte sia alle frequenze della terza che della seconda armonica. Prevedono anche che impilare più strati di queste metasuperfici uno sopra l'altro potrebbe migliorare l'effetto.

In caso di successo, l'approccio potrebbe sbloccare una vasta gamma di applicazioni nel visibile e nell'ultravioletto per materiale elettronico popolare e materiali fotonici nel medio infrarosso che sono stati a lungo esclusi da queste frequenze più elevate.