Un team di ricercatori dell'istituto olandese AMOLF, Western University (Canada), e l'Università del Texas (Stati Uniti d'America) hanno recentemente dimostrato l'uso della progettazione algoritmica per creare un nuovo tipo di struttura nanofotonica. Questa è una buona notizia per i ricercatori nel campo dell'informatica quantistica ottica e del fotovoltaico, perché la struttura migliora notevolmente la direttività degli emettitori su nanoscala (nei diodi emettitori di luce, o sorgenti di singoli fotoni) e assorbitori (in celle solari o fotorivelatori). I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura il 9 novembre, 2018.

La direttività descrive il rapporto tra l'emissione di luce in una particolare direzione e il totale in tutte le altre direzioni. È spesso utile che gli emettitori abbiano un'elevata direttività in modo che tutti i fotoni creati da una sorgente su scala nanometrica possano essere raccolti altrove. Ciò è particolarmente prezioso nelle applicazioni di calcolo quantistico ottico in cui la raccolta di emettitori di singoli fotoni si rivela impegnativa.

Per di più, il miglioramento della direttività è vantaggioso anche per i dispositivi fotovoltaici su scala nanometrica; accoppiare il materiale assorbente attivo nelle celle solari esclusivamente con il sole può migliorare significativamente la fototensione. Questo può essere compreso attraverso un'analogia:quando si riscalda un materiale con la luce solare, si scalderà quando scambia solo energia con il sole, e non con l'ambiente circostante relativamente più freddo.

Direttività su scala nanometrica

Mentre la direttività è una proprietà altamente vantaggiosa per emettitori e assorbitori, aumentarlo per i dispositivi su scala nanometrica può essere difficile. A scale così piccole, la luce si comporta sia come una particella che come un'onda, complicando la progettazione di strutture con caratteristiche sub-lunghezza d'onda al punto che l'intuizione delle prestazioni di un elemento ottico è estremamente limitata. La progettazione di strutture utilizzando algoritmi risolve questo problema, consentendo simulazioni ottiche a onda intera per dettare completamente la geometria dell'oggetto nanofotonico. Il team di ricerca ha utilizzato un algoritmo evolutivo, per creare più generazioni di strutture con prestazioni crescenti. Ciò ha portato a valori di direttività superiori a quelli delle strutture classiche come le lenti sferiche di oltre un fattore tre.

Per dimostrare la fattibilità di queste strutture, un dispositivo di prova del concetto è stato fabbricato sperimentalmente. Questo dispositivo prevedeva la stampa di una struttura di nanolenti sopra un nanofilo di arseniuro di gallio utilizzando una tecnica laser pulsata a femtosecondi. Tali nanofili di GaAs sono stati utilizzati per la loro rilevanza nei dispositivi fotovoltaici, fornendo anche un comodo sistema di test grazie alla loro elevata efficienza quantica (numero di fotoni in uscita per fotone in ingresso).

Mentre le nanolenti hanno notevolmente migliorato la direttività degli emettitori di nanofili, le prestazioni osservate erano ancora inferiori a quelle previste dal progetto computazionale. Però, includendo un piccolo offset tra il centro di emissione e il centro dell'obiettivo, nuove simulazioni sono state in grado di riprodurre il comportamento osservato. Questo offset probabilmente si è verificato nei campioni sperimentali, poiché i nanofili emettono il primario da una piccola regione vicino a una delle loro estremità (corrispondente alla posizione della giunzione del diodo interno nel filo). La difficoltà di allinearsi a questa posizione di emissione si è rivelata l'unico limite maggiore nelle prestazioni osservate, seguito dal fatto che questa emissione proveniva ancora da una regione finita (non un singolo punto, come ipotizzato nelle simulazioni progettuali). Ciò indica che il passaggio a strutture di emettitore o assorbitore più ristrette potrebbe facilmente affrontare entrambe queste fonti di prestazioni ridotte, e offrono un comportamento ancora più direttivo senza dover cambiare le lenti o le tecniche di fabbricazione.