Misurando le proprietà uniche della luce sulla scala di un singolo atomo, ricercatori della Duke University e dell'Imperial College, Londra, credono di aver caratterizzato i limiti della capacità del metallo nei dispositivi che esaltano la luce.

Questo campo è noto come plasmonica perché gli scienziati stanno cercando di sfruttare i plasmoni, elettroni che sono stati "eccitati" dalla luce in un fenomeno che produce un potenziamento del campo elettromagnetico. Il miglioramento ottenuto dai metalli su scala nanometrica è significativamente superiore a quello ottenibile con qualsiasi altro materiale.

Fino ad ora, i ricercatori non sono stati in grado di quantificare le interazioni plasmoniche a dimensioni molto piccole, e quindi non sono stati in grado di quantificare i limiti pratici del miglioramento della luce. Questa nuova conoscenza fornisce loro una tabella di marcia per il controllo preciso della diffusione della luce che dovrebbe aiutare nello sviluppo di dispositivi, come sensori medici e componenti di comunicazione fotonica integrati.

Tipicamente, i dispositivi plasmonici coinvolgono le interazioni di elettroni tra due particelle metalliche separate da una distanza molto breve. Negli ultimi 40 anni, gli scienziati hanno cercato di capire cosa succede quando queste particelle si avvicinano sempre di più, a distanze sub-nanometriche.

"Siamo stati in grado di dimostrare l'accuratezza del nostro modello studiando la diffusione ottica delle nanoparticelle d'oro che interagiscono con un film d'oro, "ha detto Cristian Ciracì, ricercatore post-dottorato presso la Duke's Pratt School of Engineering. "I nostri risultati forniscono un forte supporto sperimentale nel fissare un limite superiore al massimo miglioramento del campo ottenibile con i sistemi plasmonici".

I risultati degli esperimenti, che sono stati condotti nel laboratorio di David R. Smith, William Bevan Professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke, apparire sulla copertina di Scienza , 31 agosto 2012.

Ciracì e il suo team hanno iniziato con un sottile film d'oro rivestito con un monostrato ultrasottile di molecole organiche, costellato di catene di carbonio controllabili con precisione. Sfere d'oro nanometriche sono state disperse sopra il monostrato. Essenziale per l'esperimento era che la distanza tra le sfere e la pellicola potesse essere regolata con la precisione di un singolo atomo. In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di superare i limiti degli approcci tradizionali e ottenere una firma fotonica con risoluzione a livello di atomo.

"Una volta che conosci il massimo miglioramento del campo, puoi quindi capire l'efficienza di qualsiasi sistema plasmonico, " ha detto Smith. "Ci consente anche di "sintonizzare" il sistema plasmonico per ottenere miglioramenti prevedibili esatti, ora che sappiamo cosa sta succedendo a livello atomico. Il controllo su questo fenomeno ha profonde ramificazioni per l'ottica non lineare e quantistica".

Il team di Duke ha lavorato con i colleghi dell'Imperial College, in particolare Sir John Pendry, che ha collaborato a lungo con Smith.

"Questo documento porta l'esperimento oltre il nano ed esplora la scienza della luce su una scala di pochi decimi di nanometro, il diametro di un atomo tipico, " disse Pendry, fisico e condirettore del Center for Plasmonics and Metamaterials presso l'Imperial College. "Speriamo di sfruttare questo progresso per abilitare i fotoni, normalmente di poche centinaia di nanometri, interagire intensamente con atomi mille volte più piccoli."