Polarizzazione, in sincronia. Sulla macro, livello quotidiano, si legge come un ossimoro. Alla Xia Hong dell'Università del Nebraska-Lincoln e ai suoi colleghi nanoscienziati, anche se, l'apparente contraddizione ha una sorta di senso armonico. E potrebbe solo stimolare lo sviluppo di piccoli, filtri ottici più versatili, particolarmente abili nel giocare con i giochi di luce.

Questo trucco si verifica quando due pacchetti, o fotoni, di luce colpisce un materiale ed espelle un altro fotone, uno con il doppio dell'energia e metà della lunghezza d'onda, dal materiale. Poiché le lunghezze d'onda differiscono nello spettro elettromagnetico, il fenomeno può trasformare le onde infrarosse in arrivo in onde di luce blu, ad esempio, o quella luce visibile nell'ultravioletto.

Ma non solo qualsiasi materiale può portare a termine il trucco, noto come seconda generazione armonica. Un materiale che può:uno strato sottilissimo di bisolfuro di molibdeno. Hong ha trascorso diversi anni ad esplorare i fenomeni che emergono dall'accoppiamento del disolfuro di molibdeno con i cosiddetti materiali ferroelettrici, il cui allineamento di cariche positive e negative si capovolgerà quando esposto a un campo elettrico.

L'anno scorso, lei e i suoi colleghi stavano studiando come rispondeva il comportamento ottico del disolfuro di molibdeno a strato singolo quando veniva posto sopra un materiale ferroelettrico chiamato titanato di zirconato di piombo, o PZT.

"Non ci aspettavamo molto, " disse Hong, professore associato di fisica e astronomia, "ma abbiamo visto questo molto, effetto molto strano."

Invece di osservare la generazione della seconda armonica uniformemente sulla superficie, il team ha notato che alcuni segmenti stavano aumentando il fenomeno mentre altri lo smorzavano. I ricercatori si sono anche resi conto che il modello inaspettato è emerso alle pareti del dominio del PZT, dove una sezione con polarizzazione positiva - cariche positive rivolte verso l'alto separate da cariche negative rivolte verso il basso - ha incontrato una sezione con polarizzazione negativa. Non solo:l'intensità della generazione riflessa della seconda armonica alternata al muro, in modo che il primo, terzo e quinto muro lo potenziarono mentre il secondo, il quarto e il sesto lo smorzavano.

Dato che il modello mancava in entrambi i materiali da solo, i ricercatori hanno pensato che dovesse provenire da una qualche interazione dei due. A ben vedere, hanno scoperto che i vortici simili a vortici delle cariche positive e negative nella parte superiore delle pareti PZT, simili alla rotazione tornadica che può verificarsi quando l'aria calda e quella fredda convergono, stavano contribuendo all'effetto.

Quando quella rotazione combaciava con la polarizzazione del disolfuro di molibdeno sovrastante, in modo che il primo ruotasse in senso orario mentre il secondo era allineato da sinistra a destra, o vice versa, il segnale riflesso della seconda armonica quasi quadruplicava di intensità. Quando quelle polarizzazioni si scontravano l'una con l'altra, il segnale riflesso è praticamente scomparso.

La polarizzazione della luce in entrata era importante, pure. Un campo elettrico che circonda un raggio di luce non polarizzata, come quella proveniente dal sole, sporgerà a casaccio in tutte le direzioni. Il campo elettrico della luce polarizzata, al contrario, si attaccherà a un piano:verticale, orizzontale o ruotare attorno al raggio in modo prevedibile, modo ciclico. Sebbene la luce in entrata che era polarizzata a certi angoli producesse un chiaro schema di seconda armonica riflettendo, i segnali sono scomparsi quando il team ha regolato la polarizzazione della luce su altri angoli.

Per quanto riguarda le lunghezze d'onda che sono passate attraverso la nanostruttura, piuttosto che rifletterci? Il team ha trovato un modello di intensificazione-mitigazione per coloro, pure. Piuttosto che dipendere dalla corrispondenza o dalla mancata corrispondenza della polarizzazione tra i materiali, anche se, la seconda generazione armonica ha risposto alla polarizzazione delle sole patch PZT. Quando la luce era polarizzata a certi angoli, le patch PZT con polarizzazione positiva hanno amplificato il segnale, mentre i cerotti polarizzati negativamente lo smorzavano. E la regolazione della polarizzazione della luce potrebbe invertire la forza relativa di quei segnali.

Hong ha detto che la sensibilità della nanostruttura alla luce polarizzata, combinato con la capacità di capovolgere la polarizzazione del PZT sia elettricamente che meccanicamente, crea qualcosa di insolito:un filtro ottico che può essere programmato e riprogrammato in pochi secondi.

"È su scala nanometrica, e può essere controllato, "Hong ha detto. "Quindi si potrebbe dire che questo è un modo più intelligente di filtrare, perché puoi riconfigurarlo. Non è un affare fatto. Posso scrivere la polarizzazione in questo modo, posso cancellarlo, (poi) posso scriverlo in un modo diverso.

"Penso che la chiave sia davvero che si tratta di una tecnica molto semplice".

La versatilità della tecnica potrebbe rivelarsi utile nella caratterizzazione rapida di materiali o sostanze, Hong ha detto, specialmente le proprietà che influenzano la generazione della seconda armonica o dettano le risposte alla polarizzazione della luce. Sebbene la tecnica non sia molto adatta alla routine, applicazioni a livello macro del filtraggio polarizzato:"Questo chiaramente non è qualcosa con cui realizzare i tuoi occhiali polarizzati, " ha detto - Hong ha riflettuto su una possibilità correlata.

"Se volessi realizzare un film 3D su scala micro, " si azzardò con un sorriso, "questo è probabilmente il modo per farlo."

Hong e i suoi colleghi hanno riportato le loro scoperte sulla rivista Comunicazioni sulla natura .