Per anni, gli scienziati hanno lottato a lungo con il controllo e la manipolazione della luce, un'ambizione scientifica di lunga data con importanti implicazioni per lo sviluppo della tecnologia. Con la crescita della nanofotonica, gli scienziati stanno facendo progressi più velocemente che mai sfruttando strutture con dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda della luce.

Gli scienziati dell'Università del New Mexico che studiano il campo della nanofotonica stanno sviluppando nuove prospettive mai viste prima attraverso la loro ricerca. A sua volta, la comprensione di questi concetti teorici consente agli scienziati fisici di creare nanostrutture più efficienti.

La ricerca, afferma l'assistente professore Alejandro Manjavacas, nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università del New Mexico in un documento intitolato "Ibridazione delle risonanze reticolari, " indaga su come gli array periodici di nanosfere o atomi interagiscono con la luce. Questi sistemi sono realizzati ripetendo periodicamente una cella unitaria, proprio come una scacchiera è fatta ripetendo due quadrati di colori diversi in uno schema. In precedenza, la maggior parte della ricerca si è concentrata solo su strutture con celle unitarie costituite da un unico elemento, come se ogni quadrato della scacchiera fosse di un solo colore. La loro ricerca va oltre, consentendo un numero qualsiasi di colori purché siano disposti in uno schema ripetuto.

"Pur contribuendo alla comprensione fondamentale di una pletora di nuovi fenomeni fisici, questo sforzo di ricerca teorica aiuterà a capire come la luce interagisce con gli oggetti su nanoscala e aiuterà a gettare le basi per lo sviluppo di nuovi meccanismi per manipolare la luce su nanoscala, che è la chiave per realizzare la prossima generazione di applicazioni nanofotoniche, " Manjavacas dice nel documento pubblicato di recente in ACS Nano , una pubblicazione di punta nel campo della nanofotonica.

L'obiettivo principale della ricerca era quello di aprire e promuovere nuove strade nella plasmonica, un campo di ricerca che si concentra sulla comprensione dell'interazione tra luce e nanostrutture metalliche, quale l'obiettivo di sviluppare nuove applicazioni in nanofotonica. Come parte di questo lavoro, gli scienziati hanno sviluppato un potente modello per capire come gli array ordinati di nanostrutture interagiscono con la luce. Questo modello può essere utilizzato per prevedere la risposta ottica di insiemi di nanoparticelle con schemi molto complicati, che possono essere sfruttate per ingegnerizzare proprietà ottiche utili per molte applicazioni:

"Per esempio, questi sistemi possono costituire una piattaforma versatile per lo sviluppo di biosensori compatti in grado di monitorare, in tempo reale, i livelli delle diverse sostanze rilevanti per l'assistenza sanitaria, " disse Manjavacas. "Inoltre, possono anche essere utilizzati per migliorare le prestazioni delle celle solari e per progettare fotorilevatori più efficienti".

I dettagli

Nell'ambito della ricerca, Manjavacas e il suo team composto da Sebastian Baur, uno studente laureato in visita dalla Germania, e Stephen Sanders, uno studente laureato in Fisica e Astronomia, ha studiato le proprietà ottiche di array periodici di nanoparticelle plasmoniche con celle unitarie multiparticellari. Nello specifico, hanno cercato di capire come sfruttare la geometria di disposizioni complesse di nanostrutture plasmoniche per controllare le loro risposte ottiche.

Hanno studiato array composti da celle unitarie a due particelle, in cui l'interazione tra le diverse particelle può essere annullata o massimizzata controllando la loro posizione relativa all'interno della cella elementare. Hanno anche trovato array la cui risposta può essere resa invariante alla polarizzazione della luce incidente o fortemente dipendente da essa. Entrambi questi esempi mostrano come le loro complesse geometrie possono essere utilizzate per esercitare il controllo sulla risposta degli array.

Manjavacas e il suo team hanno anche esplorato sistemi con celle unitarie a tre e quattro particelle, come una scacchiera con tre o quattro diversi tipi di quadrati colorati, e hanno mostrato che possono essere progettati per supportare risonanze con modelli di risposta complessi in cui diversi gruppi di particelle nella cellula unitaria possono essere eccitati selettivamente.

"I risultati di questo lavoro servono a far progredire la nostra comprensione degli array periodici di nanostrutture e forniscono una metodologia per progettare strutture periodiche con proprietà ingegnerizzate per applicazioni in nanofotonica, " ha detto. "In particolare, dimostriamo che, controllando la posizione relativa delle particelle all'interno della cella elementare, è possibile manipolare completamente la risposta ottica del sistema."