Un gruppo di scienziati dell'Università ITMO di San Pietroburgo ha presentato un nuovo approccio alla manipolazione efficace della luce su scala nanometrica basato su nanoantenne ibride metallo-dielettrico. La nuova tecnologia promette di creare una nuova piattaforma per la registrazione di dati ottici ultradensi e aprire la strada alla fabbricazione ad alto rendimento di un'ampia gamma di nanodispositivi ottici in grado di localizzare, migliorare e manipolare la luce su scala nanometrica. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Materiale avanzato .

Una nanoantenna è un dispositivo che converte la luce che si propaga liberamente in luce localizzata compressa in diverse decine di nanometri. La localizzazione consente agli scienziati di controllare efficacemente la luce su scala nanometrica. Questo è uno dei motivi per cui le nanoantenne possono diventare gli elementi costitutivi fondamentali dei futuri computer ottici che si affidano ai fotoni anziché agli elettroni per elaborare e trasmettere informazioni. Questa inevitabile sostituzione del vettore di informazione è legata al fatto che i fotoni superano gli elettroni di diversi ordini di grandezza in termini di capacità di informazione, richiedono meno energia, escludere il riscaldamento del circuito e garantire uno scambio di dati ad alta velocità.

Fino a poco tempo fa, la produzione di array planari di nanoantenne ibride per la manipolazione della luce è stata considerata un processo estremamente scrupoloso. Una soluzione a questo problema è stata trovata dai ricercatori dell'Università ITMO in collaborazione con i colleghi dell'Università accademica di San Pietroburgo e dell'Istituto congiunto per le alte temperature di Mosca. Il gruppo di ricerca ha sviluppato per la prima volta una tecnica per creare tali array di nanoantenne ibride e per la regolazione estremamente accurata delle singole nanoantenne all'interno dell'array. La realizzazione è stata resa possibile dalla successiva combinazione di due fasi produttive:litografia ed esposizione precisa dell'anoantenna ad un laser a femtosecondi, un laser a impulsi ultracorti.

Un'applicazione pratica delle nanoantenne ibride è la registrazione di dati ultradensi. Le moderne unità ottiche possono registrare informazioni con una densità di circa 10 Gbit/pollice2, che equivale alla dimensione di un singolo pixel di poche centinaia di nanometri. Sebbene tali dimensioni siano paragonabili a quelle delle nanoantenne, gli scienziati propongono di controllare ulteriormente il loro colore nello spettro visibile. Questa procedura porta all'aggiunta di un'ulteriore 'dimensione' per la registrazione dei dati, che aumenta immediatamente l'intera capacità di memorizzazione dei dati del sistema.

Oltre alla registrazione dei dati ultradensa, la modifica selettiva delle nanoantenne ibride offre nuovi progetti di metasuperfici ibride, guide d'onda e sensori compatti per il monitoraggio ambientale. Nel futuro prossimo, il gruppo di ricerca prevede di concentrarsi sullo sviluppo di tali applicazioni specifiche delle loro nanoantenne ibride.

Le nanoantenne sono costituite da due componenti:un cono di silicio troncato con un sottile disco dorato posizionato sulla parte superiore. Grazie al laser reshaping su nanoscala, è possibile modificare con precisione la forma della particella d'oro senza intaccare il cono di silicio. Il cambiamento nella forma della particella d'oro determina la modifica delle proprietà ottiche della nanoantenna nel suo insieme a causa dei diversi gradi di sovrapposizione di risonanza tra il silicio e le nanoparticelle d'oro.

"Il nostro metodo apre la possibilità di cambiare gradualmente le proprietà ottiche delle nanoantenne mediante fusione laser selettiva delle particelle dorate. A seconda dell'intensità del raggio laser, la particella d'oro rimarrà o a forma di disco, convertirsi in una tazza o diventare un globo. Una manipolazione così precisa ci consente di ottenere una nanostruttura ibrida funzionale con le proprietà desiderate in un battito di ciglia, "dice Sergey Makarov, uno degli autori del paper e ricercatore presso il Dipartimento di Nanofotonica e Metamateriali dell'Università ITMO.

Contrariamente alla fabbricazione convenzionale indotta dal calore di nanoantenne, il nuovo metodo aumenta la possibilità di regolare le singole nanoantenne all'interno dell'array ed esercitare un controllo preciso sulle proprietà ottiche delle nanostrutture ibride.

"Il nostro concetto di nanoantenne ibride asimmetriche unisce due approcci che in precedenza si pensava si escludessero a vicenda:la plasmonica e la nanofotonica completamente dielettrica. Le nostre nanostrutture ibride hanno ereditato i vantaggi di entrambi gli approcci:localizzazione e miglioramento della luce su scala nanometrica, basse perdite ottiche e la capacità di controllare il modello di potenza di dispersione. A sua volta, l'uso del laser reshaping ci aiuta a modificare in modo preciso e rapido le proprietà ottiche di tali strutture e forse anche a registrare informazioni con una densità estremamente elevata, " dice Dmitry Zuev, autore principale dello studio e ricercatore presso il Dipartimento di Nanofotonica e Metamateriali dell'Università ITMO.