Le nanoantenne plasmoniche sono tra i temi caldi della scienza in questo momento a causa della loro capacità di interagire fortemente con la luce, che ad esempio li rende utili per diversi tipi di rilevamento. Ma abbinando le loro risonanze con gli atomi, molecole o i cosiddetti punti quantici è stato finora difficile a causa delle scale di lunghezza molto diverse coinvolte. Grazie a una sovvenzione della fondazione Engkvist, Timur Shegai, professore assistente presso la Chalmers University of Technology, spera di trovare un modo per farlo e con quello aprire le porte ad applicazioni come i canali di comunicazione sicuri a lunga distanza.

Il limite di diffrazione rende molto difficile per la luce interagire con le particelle più piccole o i cosiddetti sistemi quantistici come gli atomi, molecole o punti quantici. La dimensione di una tale particella è semplicemente molto più piccola della lunghezza d'onda della luce che non può esserci una forte interazione tra i due. Ma usando nanoantenne plasmoniche, che possono essere descritte come nanostrutture metalliche in grado di focalizzare la luce in modo molto forte e con lunghezze d'onda inferiori a quelle della luce visibile, si può costruire un ponte tra la luce e l'atomo, molecola o punto quantico ed è su questo che sta lavorando Timur Shegai.

"Le nanostrutture plasmoniche sono esse stesse più piccole delle lunghezze d'onda della luce, ma poiché hanno molti elettroni liberi possono immagazzinare l'energia elettromagnetica in un volume che in realtà è molto più piccolo del limite di diffrazione, che aiuta a colmare il divario tra oggetti veramente piccoli come le molecole e le maggiori lunghezze d'onda della luce, " lui dice.

Abbinare l'armonica con la non armonica

Questo potrebbe sembrare abbastanza facile, ma il problema con la combinazione dei due è che si comportano in modi molto diversi. Il comportamento delle nanostrutture plasmoniche è molto lineare, come un oscillatore armonico si muoverà regolarmente da un lato all'altro non importa quanta energia o in altre parole quante eccitazioni sono immagazzinate in esso. D'altra parte, cosiddetti sistemi quantistici come gli atomi, le molecole o i punti quantici sono esattamente l'opposto:le loro proprietà ottiche sono altamente non armoniche. Qui fa una grande differenza se ecciti il ​​sistema con uno o due o centinaia di fotoni.

"Ora immagina di accoppiare questo risonatore non armonico e un risonatore armonico, e aggiungere la possibilità di interagire con la luce molto più forte di quanto il solo sistema non armonico avrebbe consentito. Ciò apre possibilità molto interessanti per le tecnologie quantistiche e per l'ottica non lineare, ad esempio. Ma a differenza dei precedenti tentativi che sono stati fatti a temperature molto basse e nel vuoto, lo faremo a temperatura ambiente".

Canali di comunicazione impossibili da hackerare

Una possibile applicazione in cui questa tecnologia potrebbe essere utile in futuro è creare canali per comunicazioni a lunga distanza impossibili da violare. Con la tecnologia attuale questo tipo di comunicazione sicura è possibile solo se le persone che comunicano si trovano ad una distanza di circa cento chilometri l'una dall'altra, perché questa è la distanza massima che un singolo fotone può percorrere nelle fibre prima che si disperda e il segnale venga perso.

"Il tipo di tecnologia ultra piccola e ultra veloce che vogliamo sviluppare potrebbe essere utile in un cosiddetto ripetitore quantistico, un dispositivo che potrebbe essere installato lungo la linea ad esempio da New York a Londra, che ripeterebbe il fotone ogni volta che sta per essere disperso, "dice Timur Shegai.

Al momento però, sono gli aspetti fondamentali della fusione dei plasmoni con i sistemi quantistici che interessano Timur Shegai. Per poter provare sperimentalmente che ci possono essere interazioni tra i due sistemi, ha prima di tutto bisogno di fabbricare sistemi modello a livello nano. Questa è una grande sfida, ma con la concessione di 1, 6 milioni di corone svedesi in un periodo di due anni che ha appena ricevuto dalla fondazione Engkvist, le possibilità di successo sono migliorate.

"Dato che sono un ricercatore all'inizio della mia carriera, ogni persona è un enorme miglioramento e ora posso assumere un post-doc per lavorare con il mio gruppo. Ciò significa che il progetto può essere diviso in sotto parti e insieme saremo in grado di esplorare più possibilità su questa nuova tecnologia."