Non molto tempo dopo lo sviluppo del primo laser nel 1960, gli scienziati scoprirono che far brillare un raggio attraverso certi cristalli produceva luce di un colore diverso; più specificamente, produceva luce esattamente il doppio della frequenza dell'originale. Il fenomeno è stato soprannominato seconda generazione armonica.

I puntatori laser verdi in uso oggi per illustrare le presentazioni si basano su questa scienza, ma produrre un raggio di smeraldo così bello non è un'impresa facile. La luce verde inizia come un raggio infrarosso che deve essere prima elaborato attraverso un cristallo, vari obiettivi e altri elementi ottici prima che possa illuminare quel PowerPoint sullo schermo davanti a te.

In seguito si scoprì che l'applicazione di un campo elettrico ad alcuni cristalli produceva un effetto simile, sebbene più debole, raggio di luce. Questa seconda scoperta, noto come EFISH - per la generazione di luce di seconda armonica indotta dal campo elettrico - è ammontato principalmente a un'interessante conoscenza scientifica e poco più. I dispositivi EFISH sono grandi, laser ad alta potenza esigenti, grandi cristalli e migliaia di volt di elettricità per produrre l'effetto. Di conseguenza, sono poco pratici per tutte tranne che per poche applicazioni.

In un articolo pubblicato oggi in Scienza , gli ingegneri di Stanford hanno dimostrato un nuovo dispositivo che riduce i dispositivi EFISH di ordini di grandezza su scala nanometrica. Il risultato è una sorgente luminosa ultracompatta con funzioni sia ottiche che elettriche. Le implicazioni della ricerca per il dispositivo vanno da una migliore comprensione della scienza fondamentale a una migliore comunicazione dei dati.

Elettroni a molla

Il dispositivo si basa sulle forze fisiche che legano gli elettroni in orbita attorno a un nucleo.

"È come una primavera, " ha detto Mark Brongersma, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford.

Nella maggior parte dei casi, quando fai brillare una luce su un atomo, l'energia aggiunta allontanerà l'elettrone dal nucleo caricato positivamente in modo molto prevedibile, in modo lineare, in modo che quando la luce si spegne e l'elettrone ritorna nella sua orbita originale, l'energia rilasciata è la stessa della luce che l'ha spostata.

La frase chiave qui è:"nella maggior parte dei casi". Quando la sorgente luminosa è un laser ad alta intensità che brilla su un solido, i ricercatori hanno scoperto che più gli elettroni vengono allontanati dai nuclei, meno linearmente la luce interagisce con gli atomi.

"In altre parole, l'interazione luce-materia diventa non lineare, " ha detto Alok Vasudev, uno studente laureato e co-autore del documento. "La luce che emetti è diversa dalla luce che emetti. Fai brillare un forte laser vicino all'infrarosso sul cristallo e una luce verde emette esattamente il doppio della frequenza".

Possibilità di ingegneria

"Ora, Alok e io abbiamo preso questa conoscenza e l'abbiamo ridotta su scala nanometrica, " ha detto il primo autore del giornale, Wenshan Cai, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Brongersma. "Per la prima volta abbiamo un dispositivo ottico non lineare su scala nanometrica che ha funzionalità sia ottiche che elettriche. E questo offre alcune interessanti possibilità ingegneristiche".

Per molte applicazioni fotoniche, compresa l'elaborazione di segnali e informazioni, è desiderabile manipolare elettricamente la generazione di luce non lineare. Il nuovo dispositivo assomiglia a un papillon su scala nanometrica con due metà di foglia d'oro simmetrica che si avvicinano, ma non del tutto toccante, al centro. Questa sottile fessura tra le due metà è riempita con un materiale non lineare. La ristrettezza è critica. È solo 100 nanometri di diametro.

"EFISH richiede un enorme campo elettrico. Dalla fisica di base sappiamo che la forza di un campo elettrico scala linearmente con la tensione applicata e inversamente con la distanza tra gli elettrodi - distanza minore, campo più forte e viceversa, " disse Brongersma. "Allora, se hai due elettrodi posizionati molto vicini tra loro, come facciamo nel nostro esperimento, non ci vogliono molti volt per produrre un campo elettrico gigante. Infatti, ci vuole solo un volt."

"È questa scienza fondamentale che ci permette di ridurre il dispositivo di ordini di grandezza dalla scala umana alla nanoscala, " disse Cai.

Entra nella plasmonica

L'area di competenza di Brongersma, plasmonica, poi entra in scena. La plasmonica è lo studio di un curioso fenomeno fisico che si verifica quando la luce e il metallo interagiscono. Quando i fotoni colpiscono il metallo, producono onde di energia che scorrono verso l'esterno sulla superficie del metallo, come le increspature quando un sassolino cade in uno stagno.

Gli ingegneri hanno imparato a controllare la direzione delle increspature modellando la superficie del metallo in modo tale che quasi tutte le onde di energia siano incanalate verso l'interno verso la fessura tra i due elettrodi metallici.

La luce si riversa nel crepaccio come sul bordo di una cascata e lì si intensifica, producendo luce circa 80 volte più forte dei già intensi livelli laser da cui proveniva. I ricercatori applicano quindi una tensione modesta al metallo, generando il tremendo campo elettrico necessario per produrre un raggio EFISH.

Applicazioni pratiche

"Questo tipo di dispositivo potrebbe un giorno trovare applicazione nel settore delle comunicazioni, " afferma Brongersma. "La maggior parte delle masse di informazioni e interazioni sui social media che inviamo attraverso i nostri data center, e i dati futuri che un giorno creeremo, vengono salvati e trasmessi come energia elettrica:uno e zero."

"Quei uno e quegli zeri sono solo un interruttore; uno è acceso, lo zero è spento, " ha affermato Cai. "Poiché il trasporto di informazioni ottiche più efficiente dal punto di vista energetico sta rapidamente acquistando importanza, non è un grande salto capire perché i dispositivi in ​​grado di convertire i segnali elettrici in ottici e viceversa siano di grande valore."

Per ora, però, i ricercatori avvertono che le applicazioni pratiche rimangono lungo la strada, ma hanno creato qualcosa di nuovo.

"È un grande pezzo di scienza di base, " ha detto Brongersma. "È un lavoro che combina diverse discipline:ottica non lineare, elettronica, plasmonica, e l'ingegneria su scala nanometrica, in un dispositivo davvero interessante che potrebbe tenerci occupati per un po'."