I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) hanno per la prima volta dimostrato sperimentalmente che i componenti nanofotonici in rame possono funzionare con successo nei dispositivi fotonici:in precedenza si credeva che solo i componenti in oro e argento potessero farlo. I componenti in rame non sono solo buoni quanto i componenti a base di metalli nobili; possono anche essere facilmente implementati in circuiti integrati utilizzando processi di fabbricazione standard del settore. "Questa è una sorta di rivoluzione:l'uso del rame risolverà uno dei principali problemi della nanofotonica, " affermano gli autori del paper. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nano lettere .

La scoperta, che è rivoluzionario per la fotonica e i computer del futuro, è stato realizzato da ricercatori del Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica presso il Centro di Optoelettronica su Nanoscala del MIPT. ci sono riusciti, per la prima volta, nella produzione di componenti nanofotonici in rame, le cui caratteristiche sono altrettanto buone di quelle dei componenti in oro. È interessante notare che gli scienziati hanno fabbricato i componenti in rame utilizzando un processo compatibile con le tecnologie di produzione standard del settore utilizzate oggi per produrre circuiti integrati moderni. Ciò significa che in un futuro molto prossimo i componenti nanofotonici in rame costituiranno la base per lo sviluppo di sorgenti luminose ad alta efficienza energetica, sensori ultrasensibili, così come processori optoelettronici ad alte prestazioni con diverse migliaia di core.

La scoperta è stata fatta nell'ambito della cosiddetta nanofotonica, un ramo di ricerca che mira, tra l'altro, sostituire i componenti esistenti nei dispositivi di elaborazione dati con componenti più moderni utilizzando fotoni anziché elettroni. Però, mentre i transistor possono essere ridimensionati in dimensioni fino a pochi nanometri, la diffrazione della luce limita le dimensioni minime delle componenti fotoniche alla dimensione di circa la lunghezza d'onda della luce (~1 micrometro). Nonostante la natura fondamentale di questo cosiddetto limite di diffrazione, si può superarlo utilizzando strutture metallo-dielettriche per creare componenti fotonici veramente su scala nanometrica. in primo luogo, la maggior parte dei metalli mostra una permittività negativa alle frequenze ottiche, e la luce non può propagarsi attraverso di loro, penetrando a una profondità di soli 25 nanometri. In secondo luogo, la luce può essere convertita in polaritoni plasmonici di superficie, onde superficiali che si propagano lungo la superficie di un metallo. Ciò consente di passare dalla fotonica 3D convenzionale alla fotonica plasmonica di superficie 2D, che è noto come plasmonica. Questo offre la possibilità di controllare la luce su una scala di circa 100 nanometri, cioè., ben oltre il limite di diffrazione.

In precedenza si credeva che solo due metalli - oro e argento - potessero essere usati per costruire nanostrutture nanofotoniche metallo-dielettriche efficienti e si pensava anche che nessun altro metallo potesse essere sostituito per questi due materiali, in quanto mostrano un forte assorbimento. Però, in pratica, creare componenti utilizzando oro e argento non è possibile perché quei metalli, entrambi nobili, non entrare in reazioni chimiche, ed è quindi estremamente difficile, costose e in molti casi impossibili da usare per creare nanostrutture – la base della moderna fotonica.

I ricercatori del Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica del MIPT hanno trovato una soluzione al problema. Sulla base di una generalizzazione della teoria per i cosiddetti metalli plasmonici, nel 2012, hanno scoperto che il rame come materiale ottico non solo può competere con l'oro, può anche essere un'alternativa migliore. A differenza dell'oro, il rame può essere facilmente strutturato mediante incisione a umido oa secco. Ciò offre la possibilità di realizzare componenti su scala nanometrica facilmente integrabili in circuiti integrati fotonici o elettronici in silicio. Ci sono voluti più di due anni perché i ricercatori acquistassero l'attrezzatura necessaria, sviluppare il processo di fabbricazione, produrre campioni, eseguire diverse misurazioni indipendenti, e confermare sperimentalmente questa ipotesi. "Di conseguenza, siamo riusciti a fabbricare chip di rame con proprietà ottiche che non sono in alcun modo inferiori ai chip a base d'oro, " dice il capo della ricerca Dmitry Fedyanin. "Inoltre, siamo riusciti a farlo in un processo di fabbricazione compatibile con la tecnologia CMOS, che è la base di tutti i moderni circuiti integrati, compresi i microprocessori. È una sorta di rivoluzione nella nanofotonica".

I ricercatori osservano che le proprietà ottiche dei film sottili di rame policristallino sono determinate dalla loro struttura interna. La capacità di controllare questa struttura e riprodurre coerentemente i parametri richiesti nei cicli tecnologici è il compito più difficile. Però, sono riusciti a risolvere questo problema, dimostrando che è possibile non solo ottenere le proprietà richieste con il rame, ma anche che questo può essere fatto in componenti su scala nanometrica, che può essere integrato con la nanoelettronica del silicio e la nanofotonica del silicio. "Abbiamo condotto l'ellissometria dei film di rame e poi confermato questi risultati utilizzando la microscopia ottica a scansione in campo vicino delle nanostrutture. Ciò dimostra che le proprietà del rame non sono compromesse durante l'intero processo di produzione di componenti plasmonici su scala nanometrica, "dice Dmitry Fedyanin.

Questi studi forniscono una base per l'uso pratico di componenti nanofotonici e plasmonici di rame, che in un futuro molto prossimo verrà utilizzato per creare LED, nanolaser, sensori e trasduttori ad alta sensibilità per dispositivi mobili, e processori optoelettronici ad alte prestazioni con diverse decine di migliaia di core per schede grafiche, computer personale, e supercomputer.