I ricercatori dell'Università di Ottawa hanno sfatato il mito decennale dell'inutilità dei metalli nella fotonica, la scienza e la tecnologia della luce, con le loro scoperte, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura, dovrebbe portare a molte applicazioni nel campo della nanofotonica.

"Abbiamo battuto il record per il fattore di qualità della risonanza (fattore Q) di una serie periodica di nanoparticelle metalliche di un ordine di grandezza rispetto ai rapporti precedenti, " ha detto l'autore senior Dr. Ksenia Dolgaleva, Canada Research Chair in Integrated Photonics (Tier 2) e Professore Associato presso la School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) presso l'Università di Ottawa.

"E' risaputo che i metalli sono molto soggetti a perdite quando interagiscono con la luce, ciò significa che provocano la dissipazione di energia elettrica. Le elevate perdite ne compromettono l'utilizzo in ottica e fotonica. Abbiamo dimostrato risonanze a Q ultra-alto in una metasuperficie (una superficie strutturata artificialmente) composta da una serie di nanoparticelle metalliche incorporate all'interno di un substrato di vetro piatto. Queste risonanze possono essere utilizzate per un'efficiente manipolazione della luce e una migliore interazione luce-materia, mostrare che i metalli sono utili nella fotonica."

"Nei lavori precedenti, i ricercatori hanno tentato di mitigare l'effetto negativo delle perdite per accedere alle proprietà favorevoli degli array di nanoparticelle metalliche, " ha osservato il co-autore principale dello studio Md Saad Bin-Alam, uno studente di dottorato uOttawa in EECS.

"Però, i loro tentativi non hanno fornito un miglioramento significativo dei fattori di qualità delle risonanze degli array. Abbiamo implementato una combinazione di tecniche piuttosto che un singolo approccio e ottenuto un miglioramento dell'ordine di grandezza dimostrando un array di nanoparticelle metalliche (metasuperficie) con un fattore di qualità record".

Secondo i ricercatori, le superfici strutturate, chiamate anche metasuperfici, hanno prospettive molto promettenti in una varietà di applicazioni nanofotoniche che non possono mai essere esplorate utilizzando materiali sfusi naturali tradizionali. Sensori, nanolaser, la sagomatura e la sterzatura del fascio di luce sono solo alcuni esempi delle numerose applicazioni.

"Le metasuperfici costituite da nanoparticelle di metalli nobili, ad esempio oro o argento, possiedono alcuni vantaggi unici rispetto alle nanoparticelle non metalliche. Possono confinare e controllare la luce in un volume su scala nanometrica inferiore a un quarto della lunghezza d'onda della luce (meno di 100 nm). , mentre la larghezza di un capello è superiore a 10.000 nm), " ha spiegato Md Saad Bin-Alam.

"Interessante, a differenza delle nanoparticelle non metalliche, la luce non è confinata o intrappolata all'interno delle nanoparticelle metalliche ma è concentrata vicino alla loro superficie. Questo fenomeno è scientificamente chiamato "risonanze plasmoniche superficiali localizzate (LSPR)". Questa caratteristica conferisce una grande superiorità alle nanoparticelle metalliche rispetto alle loro controparti dielettriche, perché si potrebbero sfruttare tali risonanze superficiali per rilevare bio-organismi o molecole in medicina o in chimica. Anche, tali risonanze superficiali potrebbero essere utilizzate come meccanismo di feedback necessario per il guadagno laser. Così, si può realizzare un minuscolo laser su scala nanometrica che può essere adottato in molte future applicazioni nanofotoniche, come il rilevamento e la distanza della luce (LiDAR) per il rilevamento di oggetti in campo lontano."

Secondo i ricercatori, l'efficienza di queste applicazioni dipende dai fattori Q risonanti.

"Sfortunatamente, a causa dell'elevata perdita di "assorbimento" e "radiazione" nelle nanoparticelle metalliche, i fattori Q di LSPR sono molto bassi, " ha detto il co-autore principale Dr. Orad Reshef, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Ottawa.

"Più di un decennio fa, i ricercatori hanno trovato un modo per mitigare la perdita dissipativa disponendo con cura le nanoparticelle in un reticolo. Da tale manipolazione del "reticolo superficiale", emerge una nuova "risonanza reticolare superficiale (SLR)" con perdite soppresse. Fino al nostro lavoro, i Q-fattori massimi riportati negli SLR erano di circa poche centinaia. Sebbene tali SLR segnalati in anticipo fossero migliori degli LSPR a basso Q, non erano ancora molto impressionanti per applicazioni efficienti. Ha portato al mito che i metalli non sono utili per applicazioni pratiche."

Un mito che il gruppo è stato in grado di smontare durante il suo lavoro presso l'Advanced Research Complex dell'Università di Ottawa tra il 2017 e il 2020.

"All'inizio, abbiamo eseguito la modellazione numerica di una metasuperficie di nanoparticelle d'oro e siamo rimasti sorpresi di ottenere fattori di qualità di diverse migliaia, " disse Md Saad Bin-Alam, che ha progettato principalmente la struttura della metasuperficie.

"Questo valore non è mai stato riportato sperimentalmente, e abbiamo deciso di analizzare il perché e di tentare una dimostrazione sperimentale di un Q così alto. Abbiamo osservato una reflex ad altissimo Q di valore quasi 2400, che è almeno 10 volte più grande delle reflex Q più grandi riportate in precedenza."

Una scoperta che ha fatto capire loro che c'è ancora molto da imparare sui metalli.

"La nostra ricerca ha dimostrato che siamo ancora lontani dal conoscere tutti i misteri nascosti delle nanostrutture metalliche (plasmoniche), " ha concluso il dottor Orad Reshef, che ha fabbricato il campione di metasuperficie. "Il nostro lavoro ha sfatato un mito decennale secondo cui tali strutture non sono adatte per applicazioni ottiche nella vita reale a causa delle elevate perdite. Abbiamo dimostrato che, progettando adeguatamente la nanostruttura e conducendo con attenzione un esperimento, si può migliorare notevolmente il risultato."

La carta, "Risonanze ad altissimo Q nelle metasuperfici plasmoniche, " è pubblicato in Comunicazioni sulla natura .