Disponendo i dischi d'oro otticamente sintonizzati in uno schema ravvicinato, Gli scienziati della Rice University hanno creato intensi campi elettrici e migliorato le proprietà ottiche non lineari del sistema. Qui un modello al computer mostra le interazioni plasmoniche che danno origine ai campi intensi. Credito:Yu Zhang/Rice University
Gli scienziati della Rice University hanno svelato un nuovo metodo robusto per disporre le nanoparticelle metalliche in schemi geometrici che possono agire come processori ottici che trasformano i segnali luminosi in ingresso in un'uscita di un colore diverso. La svolta di un team di fisici e ingegneri teorici e applicati presso il Laboratorio di nanofotonica (LANP) di Rice è descritta questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Il team di Rice ha utilizzato il metodo per creare un dispositivo ottico in cui la luce in ingresso potesse essere controllata direttamente con la luce tramite un processo noto come "mescolamento a quattro onde". La miscelazione a quattro onde è stata ampiamente studiata, ma il metodo di modellazione del disco di Rice è il primo in grado di produrre materiali su misura per eseguire la miscelazione a quattro onde con un'ampia gamma di input e output colorati.
"La versatilità è uno dei vantaggi di questo processo, ", ha affermato la coautrice dello studio Naomi Halas, direttore della LANP e Stanley C. Moore Professor della Rice in Ingegneria Elettrica e Informatica e professore di ingegneria biomedica, chimica, fisica e astronomia. "Ci consente di mescolare i colori in modo molto generale. Ciò significa che non solo possiamo inviare fasci di due colori diversi e ottenere un terzo colore, ma possiamo mettere a punto gli arrangiamenti per creare dispositivi su misura per accettare o produrre un ampio spettro di colori".
L'elaborazione delle informazioni che avviene all'interno dei computer di oggi, smartphone e tablet è elettronico. Ciascuno dei miliardi di transistor in un chip di computer utilizza input elettrici per agire e modificare i segnali elettrici che lo attraversano. L'elaborazione delle informazioni con la luce anziché con l'elettricità potrebbe consentire computer più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico, ma costruire un computer ottico è complicato dalle regole quantistiche a cui la luce obbedisce.
Fisici e ingegneri del Rice's Laboratory for Nanophotonics hanno svelato un nuovo metodo robusto per disporre le nanoparticelle metalliche in schemi geometrici che possono agire come processori ottici che trasformano i segnali luminosi in ingresso in un'uscita di un colore diverso. Credito:Yu Zhang/Rice University
"Nella maggior parte dei casi, un raggio di luce non interagirà con un altro, " ha detto il fisico teorico della LANP Peter Nordlander, coautore del nuovo studio. "Ad esempio, se punti una torcia contro un muro e incroci quel raggio con il raggio di una seconda torcia, non avrà importanza. La luce che esce dalla prima torcia passerà, indipendente dalla luce del secondo.
"Questo cambia se la luce viaggia in un 'mezzo non lineare, '" ha detto. "Le proprietà elettromagnetiche di un mezzo non lineare sono tali che la luce di un raggio interagirà con un altro. Così, se fai brillare le due torce attraverso un mezzo non lineare, l'intensità del raggio della prima torcia sarà ridotta proporzionalmente all'intensità del secondo raggio."
I dischi d'oro sintonizzati per catturare l'energia da due raggi di luce in arrivo possono produrre un terzo colore. Qui un'animazione al computer mostra come l'onda elettromagnetica (rosso=positivo, blu=negativo) dalla luce in ingresso si propaga attraverso il sistema come una serie di onde plasmoniche. Credito:Yu-Rong Zhen/Rice University
I modelli di dischi metallici che gli scienziati LANP hanno creato per il PNAS studio sono un tipo di media non lineare. Il team ha utilizzato la litografia a fascio di elettroni per incidere dischi d'oro a forma di disco che sono stati posizionati su una superficie trasparente per i test ottici. Il diametro di ciascun disco era circa un millesimo della larghezza di un capello umano. Ciascuno è stato progettato per raccogliere l'energia da una particolare frequenza di luce; disponendo una dozzina di dischi in uno schema ravvicinato, il team è stato in grado di migliorare le proprietà non lineari del sistema creando intensi campi elettrici.
"Il nostro sistema sfrutta un particolare effetto plasmonico chiamato risonanza di Fano per aumentare l'efficienza dell'effetto non lineare relativamente debole che sta alla base del missaggio a quattro onde, " ha detto Nordlander. "Il risultato è un aumento dell'intensità del terzo colore della luce che il dispositivo produce".
Il dottorando e coautore Yu-Rong Zhen ha calcolato la disposizione precisa di 12 dischi che sarebbe necessaria per produrre due risonanze Fano coerenti in un unico dispositivo, e lo studente laureato e coautore principale Yu Zhang ha creato il dispositivo che ha prodotto la miscelazione a quattro onde, il primo materiale di questo tipo mai creato.
"Il dispositivo che Zhang ha creato per la miscelazione a quattro onde è il più efficiente mai prodotto a tale scopo, ma il valore di questa ricerca va oltre il design per questo particolare dispositivo, "disse Halas, che è stata recentemente nominata membro della National Academy of Sciences per la sua ricerca pionieristica nella nanofotonica. "I metodi utilizzati per creare questo dispositivo possono essere applicati alla produzione di un'ampia gamma di supporti non lineari, ciascuno con proprietà ottiche personalizzate."
