(PhysOrg.com) -- In un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che il semplice adattamento dei parametri geometrici su scala nanometrica delle strutture dielettriche può comportare un aumento dell'intensità della luce a livelli senza precedenti. Teoricamente, calcolano che l'intensità della luce potrebbe essere aumentata fino a 100, 000 volte quella dell'intensità dell'incidente su grandi volumi. Questo grande miglioramento della luce potrebbe portare a nuovi sviluppi nelle applicazioni di commutazione completamente ottica e di biorilevamento.
I ricercatori, Rebecca Sainidou del Consiglio nazionale delle ricerche spagnolo (CSIC), Jan Renger dell'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO), e coautori di vari istituti in Spagna, hanno pubblicato il loro studio sul nuovo metodo per il miglioramento della luce dielettrica in un recente numero di Nano lettere .
Come spiegano gli scienziati, uno dei maggiori problemi per i dispositivi nanofotonici in metallo è che i metalli in questi dispositivi assorbono un po' di luce, limitando l'intensità della luce complessiva. Qui, i ricercatori hanno proposto di utilizzare strutture dielettriche anziché metalliche, e ha descritto tre diverse disposizioni per ottenere un grande miglioramento della luce:guide d'onda dielettriche, schiere di particelle dielettriche, e un ibrido di queste due strutture. In ciascuna delle tre disposizioni proposte, i ricercatori mostrano che, sopprimendo le perdite di assorbimento, l'energia luminosa può essere accumulata in cavità risonanti per creare campi ottici estremamente intensi.
“Le strutture metalliche possono produrre un livello simile di miglioramento tramite l'eccitazione localizzata del plasmone, ma solo su volumi limitati estesi di pochi nanometri di diametro, ” ha detto il coautore Javier García de Abajo del CSIC PhysOrg.com . “Al contrario, il nostro lavoro comporta un enorme miglioramento su grandi volumi, sfruttando così in modo ottimale l'energia luminosa fornita per applicazioni di biorilevamento estese e ottiche non lineari. Nelle strutture metalliche, l'assorbimento può essere un problema a causa di potenziali danni materiali e perché riduce l'energia ottica disponibile nella regione di miglioramento. Questo tipo di problema è assente nelle nostre strutture dielettriche.
“Si potrebbe ottenere un grande miglioramento dell'intensità della luce semplicemente accumulandola da molte fonti (ad es. posizionando le estremità di molte fibre ottiche vicino a un punto comune nello spazio, o raccogliendo la luce proveniente da molti specchi di grandi dimensioni). Ma questo suona come sprecare molta energia ottica solo per avere un effetto di miglioramento in una piccola regione dello spazio. Però, questo è essenzialmente ciò che fanno le strutture metalliche per concentrare la luce nei cosiddetti hot-spot ottici usando i plasmoni. In contrasto, le nostre strutture non concentrano la luce in piccoli spazi:la amplificano su grandi volumi, e questo ha importanti applicazioni. Questa amplificazione avviene attraverso l'uso di onde ottiche evanescenti e amplificanti, che non trasportano energia, ma può accumularlo.”
Sebbene in teoria non vi sia alcun limite superiore al miglioramento dell'intensità che queste strutture possono raggiungere, le imperfezioni di fabbricazione limitano il miglioramento a circa 100, 000 volte quella dell'intensità della luce incidente. In una dimostrazione di principio della disposizione della guida d'onda dielettrica, i ricercatori hanno mostrato un miglioramento dell'intensità della luce di un fattore di 100. I ricercatori prevedono che questo miglioramento moderato dovrebbe essere facilmente migliorato riducendo la rugosità dell'interfaccia attraverso una fabbricazione più attenta, e stanno attualmente lavorando su esperimenti per dimostrare un maggiore miglioramento della luce.
Come spiegano i ricercatori, parte del "Santo Graal" della progettazione di nanodispositivi per applicazioni ottiche è la capacità di controllare il miglioramento della luce, così come il confinamento della luce e la guida della luce a lunghezze d'onda inferiori. Dimostrando la possibilità di ottenere un'intensità luminosa estremamente grande in grandi volumi, i ricercatori hanno aperto nuove possibilità in molte applicazioni nanofotoniche. Per esempio, componenti nanofotonici sono già stati utilizzati per produrre magnetismo artificiale, rifrazione negativa, occultamento, e per il biorilevamento.
“Alcune molecole vengono prodotte nel nostro corpo in modo preferenziale quando soffriamo di alcune malattie (ad es. tumori, infezioni, eccetera.), disse Garcia de Abajo. “Il rilevamento di queste molecole a volte può essere un compito difficile, perché raramente si incontrano in concentrazioni minime. Un modo pratico per rilevare queste molecole, e svelando così la potenziale malattia a cui sono associati, è illuminandoli e osservando come disperdono o assorbono la luce (ad es. come la luce di diversi colori viene assorbita da queste molecole o come cambiano il colore della luce). Perciò, è importante amplificare il segnale ottico che queste molecole producono, in modo che possiamo accedervi anche se sono in concentrazioni molto basse. Le nostre strutture fanno proprio questo:amplificano la luce su grandi volumi, in modo che se le molecole da rilevare sono poste all'interno di quei volumi, produrranno più facilmente il segnale ottico rilevato (assorbimento, cambio di colore, eccetera.). Questo è quindi un modo pratico per rilevare malattie come il cancro.
“In una direzione diversa, l'amplificazione della luce è utile per produrre una risposta non lineare alla luce esterna, e questo può essere applicato direttamente per elaborare informazioni codificate come segnali ottici. Questo è un obiettivo ambizioso necessario per fabbricare computer ottici. Tali computer sono ancora lontani dall'essere raggiungibili, ma ci si aspetta che producano un enorme aumento della velocità di calcolo e comunicazione. Le nostre strutture forniscono un modo innovativo di utilizzare la luce nei dispositivi per l'elaborazione delle informazioni”.
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