L'allineamento di nanoparticelle d'oro in strette fosse scavate in un substrato d'oro ha consentito ai ricercatori A*STAR di migliorare notevolmente un effetto ottico che raddoppia la frequenza della luce incidente1. Questo approccio potrebbe aiutare a produrre dispositivi "on-chip" in miniatura che convertono la frequenza della luce.

Nanoparticelle di metalli, come l'oro, fungono da antenne in miniatura per la luce, concentrando il campo elettromagnetico della luce incidente. Questa intensificazione di campo potrebbe essere sfruttata per aumentare gli effetti ottici non lineari, che si verificano solo in campi molto forti.

Uno di questi effetti non lineari è la generazione di seconda armonica (SHG), in cui due fotoni in arrivo con la stessa frequenza si combinano per formare un fotone con frequenza doppia. Considerazioni sulla simmetria, però, impedire che SHG si verifichi all'interno di una struttura d'oro; può verificarsi solo su una superficie dorata. Questa limitazione ha precedentemente ostacolato l'uso di nanoparticelle d'oro per SHG.

Ora, Joel Yang e Zhaogang Dong dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e collaboratori hanno risolto questo problema producendo strutture d'oro in cui nanoparticelle d'oro di circa 8 nanometri di diametro rivestite con un composto organico sono schiacciate in 12 nanometri- ampie trincee. Questo crea spazi vuoti larghi circa due nanometri su entrambi i lati delle nanoparticelle (vedi immagine). Queste minuscole lacune hanno una duplice funzione:sia potenziando il miglioramento del campo delle nanoparticelle sia aumentando l'interazione della luce con la superficie dell'oro.

Il potenziamento è stupefacente. La combinazione di questi due effetti aumenta SHG di oltre 4, 000 volte rispetto a quando le stesse nanoparticelle d'oro sono impacchettate su un substrato d'oro piatto. "Questo miglioramento in SHG è uno dei più alti mai riportati, " nota Yang.

Il team produce le strutture in due fasi; hanno usato un processo di litografia "dall'alto verso il basso" per creare le trincee e quindi l'autoassemblaggio "dal basso verso l'alto" per far cadere le nanoparticelle nelle trincee. È importante sottolineare che entrambi i processi sono scalabili, in modo che le strutture possano essere potenzialmente prodotte su scala commercialmente valida.

Mentre i cristalli non lineari convenzionali che eseguono SHG nei loro interni hanno ancora efficienze di conversione più elevate, le minuscole dimensioni delle nanostrutture le rendono molto attraenti per realizzare SHG su scale molto piccole, compresi i dispositivi che possono essere integrati nei chip. Yang osserva che c'è molto spazio per l'ottimizzazione. "Ci sono molti margini di miglioramento, soprattutto per realizzare SHG in un formato miniaturizzato, " lui dice.

I ricercatori stanno esplorando l'uso di altri materiali per ottenere miglioramenti SHG ancora più elevati. Stanno anche collaborando con una società con sede a Singapore al fine di commercializzare la tecnica in futuro.