La luce è notoriamente veloce. La sua velocità è fondamentale per un rapido scambio di informazioni, ma come leggere zip attraverso i materiali, le sue possibilità di interagire ed eccitare atomi e molecole possono diventare molto piccole. Se gli scienziati possono frenare le particelle leggere, o fotoni, aprirebbe la porta a una serie di nuove applicazioni tecnologiche.

Ora, in un articolo pubblicato il 17 agosto, in Nanotecnologia della natura , Gli scienziati di Stanford dimostrano un nuovo approccio per rallentare significativamente la luce, proprio come una cassa di risonanza trattiene il suono, e dirigerlo a piacimento. Ricercatori nel laboratorio di Jennifer Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, chip di silicio ultrasottili strutturati in barre su scala nanometrica per intrappolare in modo risonante la luce e quindi rilasciarla o reindirizzarla in un secondo momento. Questi risonatori "ad alto fattore di qualità" o "alto Q" potrebbero portare a nuovi modi di manipolare e utilizzare la luce, comprese nuove applicazioni per l'informatica quantistica, realtà virtuale e realtà aumentata; WiFi basato sulla luce; e persino il rilevamento di virus come SARS-CoV-2.

"Stiamo essenzialmente cercando di intrappolare la luce in una minuscola scatola che consente ancora alla luce di andare e venire da molte direzioni diverse, " ha detto il borsista Mark Lawrence, che è anche l'autore principale dell'articolo. "È facile intrappolare la luce in una scatola con molti lati, ma non è così facile se i lati sono trasparenti, come nel caso di molte applicazioni basate su silicio."

Fare e produrre

Prima che possano manipolare la luce, i risonatori devono essere fabbricati, e questo pone una serie di sfide.

Un componente centrale del dispositivo è uno strato estremamente sottile di silicio, che intrappola la luce in modo molto efficiente e ha un basso assorbimento nel vicino infrarosso, lo spettro della luce che gli scienziati vogliono controllare. Il silicio poggia su un wafer di materiale trasparente (zaffiro, in questo caso) in cui i ricercatori dirigono una "penna" al microscopio elettronico per incidere il loro modello di nanoantenna. Il modello deve essere disegnato nel modo più fluido possibile, poiché queste antenne fungono da pareti nell'analogia della camera d'eco, e le imperfezioni inibiscono la capacità di intrappolare la luce.

"Le risonanze ad alto Q richiedono la creazione di pareti laterali estremamente lisce che non permettano alla luce di fuoriuscire, " disse Dionne, che è anche Senior Associate Vice Provost of Research Platforms/Shared Facilities. "Ciò può essere ottenuto abbastanza di routine con strutture su scala micron più grandi, ma è molto impegnativo con le nanostrutture che diffondono maggiormente la luce."

Il design del modello gioca un ruolo chiave nella creazione delle nanostrutture ad alto Q. "Su un computer, Posso disegnare linee e blocchi ultra lisci di qualsiasi geometria data, ma la fabbricazione è limitata, " disse Lawrence. "Alla fine, dovevamo trovare un design che offrisse buone prestazioni di intrappolamento della luce, ma rientrasse nei metodi di fabbricazione esistenti."

Applicazioni di alta qualità (fattore)

Armeggiare con il design ha portato a quella che Dionne e Lawrence descrivono come un'importante piattaforma tecnologica con numerose applicazioni pratiche.

I dispositivi hanno dimostrato i cosiddetti fattori di qualità fino a 2, 500, che è due ordini di grandezza (o 100 volte) superiore a qualsiasi dispositivo simile abbia precedentemente raggiunto. I fattori di qualità sono una misura che descrive il comportamento di risonanza, che in questo caso è proporzionale alla durata della luce. "Raggiungendo fattori di qualità a migliaia, siamo già in un bel punto debole da alcune applicazioni tecnologiche molto interessanti, " disse Dionne.

Per esempio, biorilevamento. Una singola biomolecola è così piccola da essere essenzialmente invisibile. Ma far passare la luce su una molecola centinaia o migliaia di volte può aumentare notevolmente la possibilità di creare un effetto di dispersione rilevabile.

Il laboratorio di Dionne sta lavorando all'applicazione di questa tecnica per rilevare gli antigeni COVID-19, molecole che attivano una risposta immunitaria, e anticorpi, proteine ​​prodotte dal sistema immunitario in risposta. "La nostra tecnologia fornirebbe una lettura ottica come i medici e i clinici sono abituati a vedere, ", ha detto Dionne. "Ma abbiamo l'opportunità di rilevare un singolo virus o concentrazioni molto basse di una moltitudine di anticorpi a causa delle forti interazioni luce-molecola." Il design dei nanorisonatori ad alto Q consente anche a ciascuna antenna di funzionare indipendentemente per rilevare diversi tipi di anticorpi contemporaneamente.

Sebbene la pandemia abbia stimolato il suo interesse per il rilevamento virale, Dionne è anche entusiasta di altre applicazioni, come LIDAR—o rilevamento e portata della luce, che è una tecnologia di misurazione della distanza basata su laser spesso utilizzata nei veicoli a guida autonoma, a cui questa nuova tecnologia potrebbe contribuire. "Qualche anno fa non avrei potuto immaginare gli immensi spazi applicativi che questo lavoro avrebbe toccato, " disse Dionne. "Per me, questo progetto ha rafforzato l'importanza della ricerca fondamentale:non puoi sempre prevedere dove andrà a finire la scienza fondamentale o a cosa porterà, ma può fornire soluzioni critiche per le sfide future".

Questa innovazione potrebbe essere utile anche nella scienza quantistica. Per esempio, dividere i fotoni per creare fotoni entangled che rimangono collegati a livello quantistico anche quando distanti tra loro richiederebbe in genere grandi esperimenti ottici da tavolo con grandi costosi cristalli lucidati con precisione. "Se possiamo farlo, ma usa le nostre nanostrutture per controllare e modellare quella luce impigliata, forse un giorno avremo un generatore di entanglement che potrai tenere in mano, " disse Lawrence. "Con i nostri risultati, siamo entusiasti di guardare alla nuova scienza che è realizzabile ora, ma anche cercando di spingere i limiti di ciò che è possibile."