(PhysOrg.com) -- I ricercatori hanno dimostrato come array di minuscole "nanoantenne plasmoniche" siano in grado di manipolare con precisione la luce in nuovi modi che potrebbero rendere possibile una serie di innovazioni ottiche come microscopi più potenti, telecomunicazioni e computer.

I ricercatori della Purdue University hanno usato le nanoantenne per cambiare bruscamente una proprietà della luce chiamata fase. La luce viene trasmessa come onde analoghe alle onde dell'acqua, che hanno punti alti e bassi. La fase definisce questi punti luminosi alti e bassi.

"Cambiando bruscamente la fase possiamo modificare drasticamente il modo in cui la luce si propaga, e che apre la possibilità di molte potenziali applicazioni, " disse Vladimir Shalaev, direttore scientifico di nanofotonica presso il Birck Nanotechnology Center di Purdue e illustre professore di ingegneria elettrica e informatica.

I risultati sono descritti in un articolo che sarà pubblicato online giovedì (22 dicembre) sulla rivista Scienza .

Il nuovo lavoro a Purdue estende le scoperte dei ricercatori guidati da Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences. In quel lavoro, descritto in un articolo di October Science, I ricercatori di Harvard hanno modificato la legge di Snell, una formula di vecchia data utilizzata per descrivere come la luce si riflette e si rifrange, o si piega, passando da un materiale all'altro.

"Quello che hanno sottolineato era rivoluzionario, " ha detto Shalaev.

Fino ad ora, La legge di Snell ha implicato che quando la luce passa da un materiale all'altro non ci sono bruschi cambiamenti di fase lungo l'interfaccia tra i materiali. ricercatori di Harvard, però, esperimenti condotti che dimostrano che la fase della luce e la direzione di propagazione possono essere cambiate drasticamente utilizzando nuovi tipi di strutture chiamate metamateriali, che in questo caso si basavano su una schiera di antenne.

I ricercatori della Purdue hanno portato il lavoro un ulteriore passo avanti, creazione di array di nanoantenne e modifica della fase e della direzione di propagazione della luce su un'ampia gamma di luce nel vicino infrarosso. Il documento è stato scritto dagli studenti di dottorato Xingjie Ni e Naresh K. Emani, principale ricercatore Alexander V. Kildishev, assistente professore Alexandra Boltasseva, e Shalaev.

La dimensione della lunghezza d'onda manipolata dalle antenne nell'esperimento di Purdue varia da 1 a 1,9 micron.

"Il vicino infrarosso, in particolare una lunghezza d'onda di 1,5 micron, è essenziale per le telecomunicazioni, " ha detto Shalaev. "Le informazioni vengono trasmesse attraverso le fibre ottiche utilizzando questa lunghezza d'onda, il che rende questa innovazione potenzialmente pratica per i progressi nelle telecomunicazioni."

I ricercatori di Harvard hanno previsto come modificare la legge di Snell e hanno dimostrato il principio a una lunghezza d'onda.

"Abbiamo esteso le applicazioni del team di Harvard al vicino infrarosso, che è importante, e abbiamo anche dimostrato che non si tratta di un effetto a singola frequenza, è un effetto a banda molto larga, " Ha detto Shalaev. "Avere un effetto a banda larga offre potenzialmente una gamma di applicazioni tecnologiche".

L'innovazione potrebbe portare tecnologie per guidare e modellare i raggi laser per applicazioni militari e di comunicazione, nanocircuiti per computer che utilizzano la luce per elaborare le informazioni, e nuovi tipi di lenti potenti per microscopi.

Fondamentale per l'avanzamento è la capacità di alterare la luce in modo che mostri un comportamento "anomalo":in particolare, si piega in modi non possibili con i materiali convenzionali alterando radicalmente la sua rifrazione, un processo che avviene come onde elettromagnetiche, compresa la luce, piegarsi quando si passa da un materiale all'altro.

Gli scienziati misurano questa flessione della radiazione in base al suo "indice di rifrazione". La rifrazione provoca l'effetto bastone piegato nell'acqua, che si verifica quando un bastone posto in un bicchiere d'acqua appare piegato se visto dall'esterno. Ogni materiale ha il suo indice di rifrazione, che descrive quanta luce si piegherà in quel particolare materiale. Tutti i materiali naturali, come il vetro, aria e acqua, hanno indici di rifrazione positivi.

Però, gli array di nanoantenna possono far piegare la luce in un'ampia gamma di angoli, inclusi gli angoli di rifrazione negativi.

"È importante che una deviazione così drammatica dalla legge convenzionale di Snell che regola la riflessione e la rifrazione si verifica quando la luce passa attraverso strutture che sono in realtà molto più sottili della larghezza delle lunghezze d'onda della luce, che non è possibile utilizzando materiali naturali, " ha detto Shalaev. "Inoltre, non solo l'effetto di piegatura, rifrazione, ma anche il riflesso della luce può essere drasticamente modificato dagli array di antenne sull'interfaccia, come hanno dimostrato gli esperimenti".

Le nanoantenne sono strutture a forma di V realizzate in oro e formate sopra uno strato di silicio. Sono un esempio di metamateriali, che tipicamente includono le cosiddette strutture plasmoniche che conducono nuvole di elettroni chiamate plasmoni. Le antenne stesse hanno una larghezza di 40 nanometri, o miliardesimi di metro, e i ricercatori hanno dimostrato di essere in grado di trasmettere la luce attraverso uno "strato di nanoantenna plasmonica" ultrasottile circa 50 volte più piccolo della lunghezza d'onda della luce che sta trasmettendo.

"This ultrathin layer of plasmonic nanoantennas makes the phase of light change strongly and abruptly, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " ha detto Shalaev.