Un team multidisciplinare presso il Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES, CNRS), lavorando in collaborazione con fisici a Singapore e chimici a Bristol (UK), hanno dimostrato che le nanoparticelle di oro cristallino allineate e quindi fuse in lunghe catene possono essere utilizzate per confinare l'energia luminosa fino alla scala nanometrica, consentendo la sua propagazione a lungo raggio. Il loro lavoro è stato pubblicato online sul sito web di Materiali della natura il 26 ottobre.

La luce può essere utilizzata per trasmettere informazioni. Questa proprietà è, ad esempio, utilizzato in fibra ottica, e fornisce un'interessante alternativa alla microelettronica. L'uso della luce aumenta le velocità di trasmissione e riduce la perdita di energia causata dal riscaldamento quando viene utilizzato un segnale elettrico. Però, restano molti ostacoli da superare, in particolare quello della miniaturizzazione:la fibra ottica rende difficile confinare la luce entro volumi inferiori al micrometro (10 ^-6 metri).

Gli elettroni si muovono liberamente attraverso i metalli e talvolta iniziano a oscillare collettivamente sulla loro superficie sotto l'effetto della luce, come nei metalli nobili come l'oro e l'argento. Le proprietà di tali oscillazioni collettive, conosciuti come plasmoni, negli ultimi vent'anni hanno aperto la strada al confinamento dell'energia luminosa a lunghezze d'onda inferiori (meno di un micrometro). Trasmettendo l'energia trasportata dai fotoni agli elettroni in movimento è possibile trasportare informazioni in strutture più strette delle fibre ottiche. Per raggiungere un confinamento ancora maggiore, la plasmonica si sta ora concentrando sulle proprietà ottiche delle nanoparticelle cristalline. La superficie cristallina liscia impedisce di disturbare le oscillazioni degli elettroni e riduce le perdite di energia. Lo sfruttamento delle proprietà di tali nanoparticelle dovrebbe quindi consentire di ottenere contemporaneamente confinamenti nella regione dei nanometri e il trasporto di informazioni a lungo raggio.

In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che quando le nanoparticelle d'oro con un diametro di dieci nanometri sono allineate in una catena, i plasmoni che trasportano generano oscillazioni specifiche che favoriscono una propagazione altamente confinata. Però, l'energia viene persa ad ogni passaggio tra due nanoparticelle. Sebbene questa caratteristica possa essere sfruttata per alcune applicazioni che richiedono fonti di calore altamente localizzate, soprattutto in medicina, non è favorevole alla propagazione a lungo raggio.

I ricercatori hanno quindi fuso con cura le nanosfere focalizzando su di esse un fascio di elettroni ad alta energia, formando così una rete cristallina continua. Hanno osservato che la perdita di energia era ridotta e che i plasmoni erano liberi di oscillare su distanze molto lunghe, pur rimanendo confinato all'interno del diametro delle nanoparticelle. All'interno di questa stringa di perline, che è largo solo dieci nanometri, le informazioni possono viaggiare fino a 4000 nanometri.

Un'altra sfida affrontata con successo in questo studio è stata quella di mappare, con eccezionale precisione, le oscillazioni degli elettroni osservate sulla superficie della catena di nanoparticelle. I diversi tipi di movimento dei plasmoni sono stati caratterizzati utilizzando una tecnica di microscopia chiamata spettroscopia a perdita di energia elettronica (EELS), la cui risoluzione spaziale e spettrale molto fine ha permesso ai ricercatori di proporre un nuovo modello teorico del comportamento dei plasmoni. Le simulazioni basate su questo modello riproducono gli esperimenti con una precisione senza precedenti.

Questo lavoro, che è stato il risultato di una collaborazione a lungo termine con i team di Bristol e Singapore, potrebbe portare a un'estrema miniaturizzazione della guida luminosa e aprire la strada ad applicazioni per sensori, ad esempio nel fotovoltaico, e nelle telecomunicazioni.