Ricercatori russi hanno sviluppato un nuovo materiale che converte la luce infrarossa in impulsi ultracorti di ultravioletti. Per questo scopo, gli scienziati hanno esposto la pellicola di silicio a un laser in modo che il suo rilievo si adattasse alla lunghezza d'onda della luce e rendesse risonanti le proprietà del materiale. Il risultato è stato una metasuperficie economica e facile da realizzare, efficace quanto quelle esistenti. La nuova tecnologia è applicabile in generatori UV compatti per biofotonica e medicina, e anche dispositivi per l'elaborazione di dati ultradensi nelle comunicazioni ottiche. Lo studio è stato pubblicato su Nanoscala .

I mezzi biologici possono riflettere, assorbire, disperdono e riemettono onde luminose. Ciascuno di questi processi contiene informazioni sulla micro e macrostruttura dei media, così come la forma e il movimento dei suoi componenti. A questo proposito, l'ultravioletto profondo è uno strumento promettente per la biologia e la medicina. La sua applicazione include la diagnostica laser e il controllo di processi veloci nelle celle, laserterapia e chirurgia a livello molecolare.

I ricercatori dell'Università ITMO e dell'Università accademica di San Pietroburgo hanno sviluppato un nuovo metodo per la fabbricazione di nanostrutture, che è in grado di convertire la luce infrarossa in ultravioletto profondo. La struttura è un film con una massa regolare di nanogrumi – metasuperficie. È generato dall'irraggiamento di un film di silicio, il cui spessore è di 100 nanometri, con impulsi laser ultracorti o a femtosecondi che ne formano il rilievo. Sulla superficie del film, il laser fonde questi nanogruppi, che risuonano solo con la sua lunghezza d'onda e quindi consentono di trasformare più radiazioni in ultravioletti. In altre parole, il laser regola la metasuperficie su se stesso. Quando si forma il rilievo, gli scienziati riducono la potenza in modo che il film inizi a convertire la radiazione senza deformarsi.

I ricercatori sono riusciti non solo a convertire la luce infrarossa in viola, ma anche per ottenere l'ultravioletto profondo. Tale radiazione è fortemente localizzata, ha una lunghezza d'onda molto corta e si distribuisce come impulsi di femtosecondi. "Per la prima volta, abbiamo creato una metasuperficie che emette stabilmente impulsi di femtosecondi ad alta potenza nella gamma dell'ultravioletto, " nota Anton Tsypkin, assistente del Dipartimento di Fotonica e Tecnologia dell'Informazione Ottica dell'ITMO. "Tale luce può essere applicata in biologia e medicina, poiché gli impulsi a femtosecondi influenzano gli oggetti biologici in modo più preciso."

Per esempio, usando UV profondi, i ricercatori possono immaginare una molecola durante la sua trasformazione chimica e capire come gestirla. "Un femtosecondo rispetto a un secondo è quasi come un secondo rispetto alla vita dell'universo. È persino più veloce della vibrazione degli atomi nelle molecole. Quindi impulsi così brevi possono dirci molto sulla struttura della materia in movimento, " dice il primo autore Sergey Makarov, ricercatore associato senior del Dipartimento di Nano-Fotonica e Metamateriali dell'ITMO.

La nuova tecnologia può anche trovare applicazioni nelle comunicazioni ottiche. "Utilizzare impulsi laser ultracorti per la trasmissione dei dati, renderemo il flusso più denso e ne aumenteremo la velocità. Aumenterà le prestazioni dei sistemi per il trasferimento e l'elaborazione delle informazioni. Inoltre, possiamo integrare tali metasuperfici in un chip ottico per cambiare la frequenza del raggio. Ciò contribuirà a separare i flussi di dati e consentire allo stesso tempo l'elaborazione principale, " commenta Anton Tsypkin.

La metasuperficie così ottenuta è una struttura monolitica, invece di essere assemblato da particelle isolate, com'era prima. Conduce meglio il calore e quindi vive più a lungo senza surriscaldarsi.

Nella fotonica, i ricercatori devono sempre cercare un compromesso. I cristalli non lineari standard utilizzati per la generazione dell'ultravioletto sono grandi, ma può convertire fino al 20 percento delle radiazioni. Tale efficienza è superiore a quella delle metasuperfici, ma gli impulsi laser si allungano all'interno dei cristalli. "Questo accade perché un raggio laser contiene molte lunghezze d'onda che differiscono l'una dall'altra solo di diversi decenni di nanometri. Tale variazione è sufficiente per far sì che alcune onde superino altre. Per rendere nuovamente gli impulsi ultracorti, sono necessari dispositivi aggiuntivi costosi, " spiega Makarov.

Strutture sottili come le metasuperfici non consentono il disallineamento degli impulsi laser, ma hanno ancora una bassa efficienza. Per di più, sia le metasuperfici che i cristalli sono generalmente costosi e difficili da realizzare. Però, nel nuovo studio, gli scienziati sono riusciti a rendere la fabbricazione della metasuperficie molto più semplice ed economica, e allo stesso tempo, queste superfici sono efficaci quanto le loro costose controparti.