La luce si comporta in modi piuttosto docili e prevedibili quando interagisce con oggetti di uso quotidiano:viaggia in linea retta, rimbalza quando colpisce superfici lucide, e viene piegato dalle lenti. Ma cose strane e meravigliose iniziano ad accadere quando la luce interagisce con oggetti molto piccoli. Nanoparticelle, Per esempio, che sono insiemi di atomi piccoli come un virus, possono fungere da mini-antenne, e piccoli dischi di silicio possono attivare strani "modi" di luce che rendono i dischi invisibili.

Negli ultimi anni è emersa una nuova area dell'ottica per studiare questi strani fenomeni. "Nanofotonica, una branca dell'ottica che si occupa della luce a dimensioni nanometriche, è diventato un argomento di ricerca caldo negli ultimi dieci anni circa, " osserva Arseniy Kuznetsov dell'A*STAR Data Storage Institute. "Ha molte promesse per varie nuove applicazioni, che vanno dalla trasmissione di informazioni ad alta velocità e tecnologie di visualizzazione olografica al bioimaging e al sequenziamento del genoma." Il team di Kuznetsov sta conducendo sviluppi in un sottocampo della nanofotonica, che potrebbe garantire la sua ampia applicazione pratica.

Luce su piccole scale

Tradizionalmente, la nanofotonica si è concentrata su minuscole strutture metalliche come nanoparticelle d'oro e d'argento. Il campo elettrico oscillante della luce fa oscillare collettivamente gli elettroni liberi nei metalli. A determinate dimensioni delle particelle, questo può dar luogo a un effetto noto come risonanza plasmonica di superficie. La risonanza è un fenomeno generale in cui un sistema mostra una risposta molto più ampia a determinate frequenze, ad esempio, un cantante d'opera può far frantumare un bicchiere di vino cantando al tono in cui risuona. La risonanza plasmonica di superficie si riferisce all'effetto di risonanza specifico prodotto dai plasmoni di superficie, che sono un insieme di oscillazioni cariche, il cui studio è noto come nanoplasmonica. Mentre un'area di ricerca molto nuova, gli effetti nanoplasmonici sono stati sfruttati per secoli:le vetrate delle cattedrali medievali devono il loro colore ai plasmoni di superficie eccitati in nanoparticelle metalliche incorporate nel vetro.

Nonostante le elevate aspettative per la nanoplasmonica in aree come la tecnologia dell'informazione, sicurezza, energia, archiviazione dati ad alta densità e scienze della vita, ha portato a relativamente poche applicazioni pratiche. Uno dei motivi di questo risultato deludente è che le nanostrutture metalliche perdono molta luce per assorbimento. "Una comprensione più profonda di queste risonanze ha portato a una comprensione generale dei principali inconvenienti legati alle inevitabili perdite elevate nelle nanostrutture metalliche risonanti, " commenta Kuznetsov. Inoltre, i metalli comunemente usati per la plasmonica come l'argento e l'oro sono incompatibili con i metodi standard per la produzione di componenti a semiconduttore, rendendoli difficili da produrre.

Una rivoluzione silenziosa

Ma ora è in corso una rivoluzione silenziosa in questo settore. L'attenzione si sta spostando dai metalli e verso materiali elettricamente isolanti e parzialmente isolanti noti come dielettrici e semiconduttori, che sono "otticamente densi" in modo che la luce viaggia notevolmente più lentamente in essi che nell'aria. Esempi di tali materiali includono i semiconduttori di silicio, germanio e arseniuro di gallio, e biossido di titanio.

"Il passaggio dai metalli ai dielettrici sta già avvenendo, " dice Kuznetsov. "Molti team leader nella plasmonica hanno già iniziato a lavorare con nanostrutture dielettriche risonanti".

Sebbene ancora nella sua infanzia, la transizione ha rivelato molti vantaggi. "Dopo le dimostrazioni di risonanze in nanoparticelle dielettriche nel 2012, il campo è decollato, " dice Kuznetsov. "Sono stati trovati molti vantaggi rispetto alla plasmonica convenzionale".

Fare strada

Kuznetsov e il suo team di A*STAR sono all'avanguardia di questa rivoluzione. Impiegano un approccio a tre punte. "In molti casi, generiamo un concetto teorico, mostrarlo in simulazioni e poi dimostrarlo sperimentalmente. Però, a volte si verifica il processo inverso:osservazioni sperimentali inaspettate portano allo sviluppo della teoria per fornire la loro comprensione fisica, " spiega Kuznetsov.

I membri del team hanno realizzato alcuni notevoli primati in questo giovane campo. Il fisico Boris Luk'yanchuk ha iniziato a girare la palla nel 2010 quando lui e i suoi colleghi in Germania hanno pubblicato un documento seminale che mostrava che, teoricamente, le nanoparticelle di silicio con dimensioni comprese tra 100 e 200 nanometri potrebbero avere forti risonanze elettriche e magnetiche alle frequenze della luce visibile, un'alternativa a bassa perdita alle nanostrutture plasmoniche. In un successivo documento, Luk'yanchuk, insieme a ricercatori in Australia, proposto nuove strutture ibride metallo-dielettrico in cui la luce potrebbe propagarsi a causa di interazioni di momenti magnetici, che non è possibile in catene di particelle metalliche. Finalmente nel 2015, il gruppo A*STAR ha mostrato che esistono tipi simili di interazioni otticamente indotte di momenti magnetici in catene di particelle di silicio. "Tali interazioni magnetiche delle particelle di silicio possono superare di gran lunga le guide d'onda basate sulla plasmonica e sulla fotonica del silicio convenzionale, " dice Luk'yanchuk.

Luk'yanchuk, Kuznetsov e il loro team hanno dimostrato sperimentalmente queste risonanze nelle nanoparticelle di silicio. Il team è stato anche il primo a mostrare sperimentalmente una diffusione della luce direzionale unica da parte di nanoparticelle di silicio, che dimostra le loro promettenti proprietà di nanoantenna. E i ricercatori sono stati i primi a mostrare sperimentalmente un grande miglioramento dei campi elettrici e magnetici della luce in prossimità di antenne dielettriche realizzate con due nanoparticelle di silicio poste molto vicine l'una all'altra6.

Secondo Google Scholar, i documenti che descrivono questi risultati sono stati citati più di 1, 000 volte, riflettendo l'enorme impatto che il lavoro della squadra ha avuto sul campo. Tale è la loro reputazione in questo settore che una recente recensione che hanno scritto sul campo emergente è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista Scienza .

In uno studio del 2015, Il gruppo, insieme a ricercatori australiani e tedeschi, ha dimostrato sperimentalmente un effetto ottico molto insolito in dischi di silicio su nanoscala:modelli di radiazioni che non emettono o diffondono luce8. Tali modalità di radiazione potrebbero essere utilizzate per produrre minuscoli laser su nanoscala. Il team ha anche mostrato come gli array di tali dischi di silicio possono controllare con precisione la fase e l'ampiezza della luce, costringendolo a piegarsi, messa a fuoco, o creare immagini olografiche ad alta risoluzione.

Nel 2016, l'Institute of Physics di Singapore ha assegnato a Luk'yanchuk il World Scientific Physics Research Award e la Gold Medal per i suoi eccezionali contributi alla ricerca fisica nel paese. Quello stesso anno, Kuznetsov è stato scelto come destinatario dell'A F Harvey Engineering Research Prize dell'Institution of Engineering and Technology per "i suoi eccezionali contributi nel campo dei laser e dell'optoelettronica e la sua ricerca pionieristica su un nuovo ramo della nanofotonica:nanostrutture dielettriche otticamente risonanti e nanoantenne dielettriche".

Un futuro brillante

Il team è entusiasta del potenziale delle nanostrutture dielettriche. "Speriamo che le nanostrutture dielettriche risonanti diano finalmente origine ad applicazioni nella vita reale dalla nanofotonica risonante, " dice Kuznetsov. Anticipano che molte aree della tecnologia potrebbero essere fortemente influenzate da questo sviluppo.

“Si potrebbero sviluppare display olografici tridimensionali per smartphone e dispositivi di realtà virtuale e aumentata ad alta risoluzione basati su nanoantenne dielettriche. componenti di nanoparticelle dielettriche risonanti all'interno, " afferma Kuznetsov. "Alcune di queste nuove e sorprendenti applicazioni potrebbero diventare realtà nei prossimi 5-8 anni, " predice. Anche se la luce può essere prevedibile su larga scala, il futuro sembra tutt'altro che addomesticato per questa tecnologia emergente.