Scienziati del MIPT, ITMO University (San Pietroburgo), ei loro colleghi dell'Australian National University hanno dimostrato sperimentalmente che le nanoparticelle di silicio possono aumentare significativamente l'intensità dell'effetto Raman. Questi risultati potrebbero contribuire allo sviluppo di emettitori di luce su scala nanometrica e amplificatori su scala nanometrica per linee di telecomunicazione in fibra ottica. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Nanoscala .

Generalmente, quando la luce interagisce con la materia, non cambia colore, cioè., la lunghezza d'onda della luce rimane la stessa. Ci sono eccezioni, però, e uno di questi è il cosiddetto effetto Raman. In questo caso, la luce incidente interagisce con una molecola in modo tale che l'energia della molecola aumenta di un valore corrispondente al movimento vibrazionale della molecola. La molecola quindi riemette un fotone con energia minore e di conseguenza una lunghezza d'onda maggiore, il che significa che la luce diventa "più rossa". Questo processo può verificarsi anche in cristalli sfusi.

La scoperta dell'effetto Raman ha lanciato un campo completamente nuovo della scienza applicata:la spettroscopia Raman. Questo metodo consente ai ricercatori di rilevare singole molecole di sostanze chimiche. Inoltre, l'effetto Raman è oggi ampiamente utilizzato nelle reti in fibra ottica per l'amplificazione del segnale.

Fino ad ora, guide d'onda e microcavità sferiche più grandi della lunghezza d'onda di emissione sono state utilizzate principalmente per il miglioramento dell'effetto Raman. Però, la miniaturizzazione dei dispositivi di telecomunicazione richiede lo sviluppo di componenti ottici più piccoli che consumano meno energia e sono più facili da "impacchettare" su un chip elettronico o ottico.

Gli scienziati, incluso Denis Baranov del MIPT ha cercato di miniaturizzare gli amplificatori Raman.

I ricercatori hanno utilizzato nanosfere di silicio che supportano le risonanze ottiche, le cosiddette risonanze di Mie. Esistono in qualsiasi particella sferica e le lunghezze d'onda di queste risonanze dipendono dalla dimensione delle particelle. Una delle risonanze che si verificano per la lunghezza d'onda maggiore è la risonanza del dipolo magnetico:la sua lunghezza d'onda è generalmente paragonabile al diametro della particella. Nel silicio, però, grazie al suo grande indice di rifrazione, La risonanza del dipolo magnetico si osserva nel campo ottico (a lunghezze d'onda maggiori di 300 nanometri) per nanoparticelle con un diametro di circa 100 nanometri.

Questo fatto rende minuscole nanoparticelle di silicio utili come elementi in miniatura per migliorare vari fenomeni ottici, compresa l'emissione di luce spontanea, maggiore assorbimento della luce, e alta generazione di armoniche.

Nell'esperimento, gli scienziati hanno studiato il comportamento delle nanoparticelle di silicio di diverse dimensioni. Per determinare la dimensione delle particelle, li misero al microscopio e li illuminarono con luce bianca. Particelle di diverso diametro mostrano risonanze di Mie a diverse lunghezze d'onda, risultando in diversi colori luminosi nell'immagine in campo scuro.

Gli scienziati hanno poi testato come l'intensità dell'emissione Raman dipenda dal diametro di una particella di silicio. L'intensità dell'emissione Raman era al massimo al diametro di risonanza della particella, che era del tutto coerente con la teoria che gli autori avevano sviluppato. L'intensità dell'emissione Raman delle particelle risonanti era più di 100 volte maggiore di quella delle particelle non risonanti con altri diametri.

"L'effetto Raman è incredibilmente utile nella pratica, e aiuterà non solo a rilevare quantità microscopiche di composti chimici, ma anche nella trasmissione di informazioni su lunghe distanze. A causa della ricerca di dispositivi elettronici e ottici più piccoli, sta diventando sempre più importante per noi cercare nanostrutture in grado di potenziare questo effetto. Le nostre osservazioni hanno rivelato un potenziale candidato:nanoparticelle di silicio, " ha detto Denis Baranov, uno studente post-laurea del MIPT e uno degli autori del documento.

Le nanoparticelle di silicio potrebbero servire come base per lo sviluppo di amplificatori ottici in miniatura per reti in fibra ottica. Nel futuro, queste particelle potrebbero fornire una piattaforma per costruire un nanolaser compatto utilizzando lo scattering Raman stimolato, che offre prospettive per applicazioni molto interessanti in medicina e biomicroscopia. In particolare, la rilevazione dei segnali dell'emissione Raman dalle particelle nel corpo umano consentirà agli specialisti di monitorare il movimento delle molecole dei farmaci.