I ricercatori di fotonica della Rice University hanno svelato un nuovo amplificatore di nanoparticelle in grado di generare luce infrarossa e aumentare l'emissione di una luce catturando e convertendo l'energia da una seconda luce.

L'innovazione, le ultime dal Laboratorio di Nanofotonica di Rice (LANP), è descritto online in un articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere . Il dispositivo funziona in modo molto simile a un laser, ma mentre i laser hanno una frequenza di uscita fissa, l'uscita dall'"amplificatore ottico parametrico" (OPA) di Rice su nanoscala può essere sintonizzata su una gamma di frequenze che include una porzione dello spettro infrarosso.

"Le sorgenti luminose a infrarossi OPA sintonizzabili oggi costano circa $ 100, 000 e occupare un bel po' di spazio su un tavolo o un banco da laboratorio, ", ha affermato l'autore principale dello studio Yu Zhang, un ex studente laureato alla Rice alla LANP. "Ciò che abbiamo dimostrato, in linea di principio, è una singola nanoparticella che svolge la stessa funzione ed ha un diametro di circa 400 nanometri."

A confronto, è circa 15 volte più piccolo di un globulo rosso, e Zhang ha affermato che ridurre una sorgente di luce a infrarossi su una scala così piccola potrebbe aprire le porte a nuovi tipi di rilevamento chimico e imaging molecolare che non sono possibili con la spettroscopia a infrarossi su nanoscala di oggi.

Zhang, che ha conseguito il dottorato di ricerca da Rice nel 2014 e oggi lavora presso Lam Research di Fremont, California, tale amplificazione parametrica è utilizzata da decenni in microelettronica. Si tratta di due segnali di ingresso, uno debole e uno forte, e due uscite corrispondenti. Le uscite sono anche forti e deboli, ma l'energia proveniente dall'ingresso più potente, noto come "pompa", viene utilizzata per amplificare il debole "segnale" in ingresso e renderlo l'uscita più potente. L'uscita a bassa potenza, nota come "idler", contiene una frazione residua dell'energia della pompa.

"Gli amplificatori ottici parametrici funzionano con la luce piuttosto che con l'elettricità, ", ha affermato il direttore della LANP Naomi Halas, lo scienziato capo del nuovo studio e il direttore dello Smalley-Curl Institute di Rice. "Negli OPA, una forte luce della pompa amplifica drammaticamente un debole segnale "seme" e genera allo stesso tempo una luce del minimo. Nel nostro caso, la pompa e le frequenze del segnale sono visibili, e l'ozioso è a infrarossi."

Mentre il laser della pompa nel dispositivo di Rice ha una lunghezza d'onda fissa, sia il segnale che le frequenze del minimo sono sintonizzabili.

"Le persone hanno precedentemente dimostrato laser a infrarossi su nanoscala, ma crediamo che questa sia la prima sorgente di luce a infrarossi su scala nanometrica sintonizzabile, "ha detto Hala.

La svolta è l'ultima per il laboratorio di Halas, il braccio di ricerca dell'Istituto Smalley-Curl di Rice, specializzato nello studio delle nanoparticelle attivate dalla luce. Per esempio, alcune nanoparticelle metalliche convertono la luce in plasmoni, onde di elettroni che scorrono come un fluido sulla superficie di una particella. In dozzine di studi negli ultimi due decenni, I ricercatori LANP hanno esplorato la fisica di base della plasmonica e hanno dimostrato che le interazioni plasmoniche possono essere sfruttate per applicazioni diverse come la diagnostica medica, trattamento per il cancro, raccolta di energia solare e calcolo ottico.

Una delle specialità di LANP è la progettazione di nanoparticelle plasmoniche multifunzionali che interagiscono con la luce in più di un modo. Zhang ha affermato che il progetto OPA su nanoscala richiedeva al team di LANP di creare una singola particella che potesse risuonare contemporaneamente con tre frequenze di luce.

"Ci sono inefficienze intrinseche nel processo OPA, ma siamo stati in grado di rimediare progettando un plasmone di superficie con risonanze triple alla pompa, frequenze del segnale e del minimo, " ha detto Zhang. "La strategia ci ha permesso di dimostrare l'emissione sintonizzabile su una gamma di frequenze infrarosse, un importante passo potenziale per l'ulteriore sviluppo della tecnologia".

Zhang ha detto che l'ex ricercatore post-dottorato in fisica della Rice, Alejandro Manjavacas, ora all'Università del New Mexico, ha eseguito i calcoli necessari per progettare la nanoparticella a tripla risonanza.

Halas ha affermato che il progetto ha anche mostrato la forza multidisciplinare di LANP. "Nella nanofotonica, la ricerca applicata e quella fondamentale vanno di pari passo perché una profonda comprensione della fisica fondamentale è ciò che ci consente di ottimizzare la progettazione delle particelle. Ecco perché una delle missioni primarie di LANP è quella di riunire teorici e sperimentali, e questo progetto è un ottimo esempio di come ciò ripaga".