I ricercatori del Berkeley Lab hanno progettato una nuova classe di dispositivi a forma di papillon che catturano, filtrare e guidare la luce su scala nanometrica. Questi dispositivi "nano-colorsorter" fungono da antenne per focalizzare e ordinare la luce in piccoli spazi, una tecnica utile per raccogliere luce a banda larga per filtri e rilevatori sensibili al colore.

Attualmente, le fibre ottiche utilizzano la luce per trasportare dati con una larghezza di banda molto elevata, ma la tecnica incontra un ostacolo poiché la luce viene compressa in circuiti fotonici sempre più piccoli. Questo ostacolo è il limite di diffrazione - una restrizione fondamentale nel concentrare i fotoni in regioni più piccole della metà della loro lunghezza d'onda. In contrasto, i dispositivi elettronici sono facilmente modellati su scale nanometriche; però, il trasferimento elettronico dei dati opera a frequenze molto inferiori a quelle della fibra ottica, con una larghezza di banda molto inferiore, riducendo la quantità di dati trasportati.

Una tecnologia recente, coniato "plasmonica, " affolla le onde elettromagnetiche in strutture metalliche di dimensioni molto inferiori alla lunghezza d'onda della luce per trasmettere dati a frequenze ottiche, sposando gli aspetti migliori delle comunicazioni ottiche ed elettroniche. Una classe di strutture particolarmente promettente per migliorare questo effetto di affollamento sono le antenne ottiche su scala nanometrica realizzate in oro, che sfruttano il comportamento plasmonico per catturare e confinare efficacemente la luce in dimensioni minuscole.

"Come l'antenna della TV o della radio, le nanoantenne ottiche catturano e concentrano in modo efficiente l'energia, ma le lunghezze d'onda sono molto più piccole, "dice Jim Schuck, uno scienziato del personale della Fonderia Molecolare, una struttura nazionale per gli utenti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso il Berkeley Lab che fornisce supporto ai ricercatori di nanoscienze di tutto il mondo.

"Abbiamo realizzato la prima struttura ingegnerizzata e nanofabbricata per la distribuzione della luce su scala nanometrica in grado di inviare e manipolare informazioni ottiche ultra-confinate con una manopola che puoi facilmente regolare:l'energia o il colore della luce, "dice Schuck, che lavora nell'Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility della Fonderia.

Il ricercatore post-dottorato della fonderia molecolare Zhaoyu Zhang, lavorando con Schuck e il direttore della struttura di nanofabbricazione Stefano Cabrini, nanoantenne fabbricate da quattro triangoli equilateri d'oro modellati litograficamente per creare una geometria a "croce".

La rottura della simmetria di questo dispositivo a forma di croce influisce sulla sua modalità di risonanza primaria, una proprietà illustrata al meglio dalla frantumazione di un flauto di champagne quando incontra un tono musicale della giusta altezza. In queste nanoantenne incrociate, i modi risonanti corrispondono a frequenze diverse, o colori, di luce.

"Ora possiamo controllare le proprietà plasmoniche di questi dispositivi introducendo l'asimmetria, e troviamo che la luce rossa e blu viene letteralmente inviata a destra e a manca, " dice Zhang. "Spingendo i limiti della manipolazione della luce in un volume più piccolo, possiamo spostare le informazioni in un luogo o in un altro in modo rapido ed efficiente, che è importante per il veloce, fotorilevamento sensibile al colore. "

Infatti, lo spostamento del papillon allineato verticalmente nella nanoantenna trasversale a soli cinque nanometri a sinistra del centro genera due modalità di risonanza, producendo un filtro a due colori. Il team ha ulteriormente dimostrato questo effetto rompendo altre simmetrie dei papillon, portando a un filtro a tre colori. Questa rottura della simmetria offre agli scienziati la possibilità di "sintonizzare automaticamente" un dispositivo su un insieme desiderato di colori o energie, cruciale per filtri e altri rilevatori. Utilizzando le capacità di nanofabbricazione disponibili presso la fonderia, gli scienziati hanno in programma di esplorare la regolazione delle dimensioni, forma, e la posizione dei papillon per ottimizzare le proprietà del dispositivo. Per esempio, migliaia di papillon potrebbero essere imballati in un'area di meno di un millimetro di diametro, consentendo grandi, ma ultraveloce, array di rivelatori.

"I nostri risultati forniscono informazioni sul legame tra la semplice rottura della simmetria e le proprietà di accoppiamento coerente dei plasmoni localizzati, fornendo un percorso per l'ingegneria di dispositivi complessi in grado di controllare la luce in spazi estremamente ristretti, "Schuck aggiunge.

Un articolo scientifico che riporta questa ricerca dal titolo "Manipolazione dei campi di luce su scala nanometrica con il nano-colorsorter asimmetrico del papillon, " di Zhaoyu Zhang, Alexander Weber-Bargioni, Shiwei Wu, Scott Dhuey, Stefano Cabrini e James Schuck, appare in Nano Letters ed è disponibile in Nano lettere in linea.

Fonte:Lawrence Berkeley National Laboratory (notizie:web)