Facendo un significativo passo avanti per la nanofotonica quantistica, un team di fisici europei e israeliani ha introdotto un nuovo tipo di cavità polaritoniche e ridefinito i limiti del confinamento della luce. Questo lavoro pionieristico, dettagliato in uno studio pubblicato su Nature Materials , dimostra un metodo non convenzionale per confinare i fotoni, superando i limiti tradizionali della nanofotonica.
I fisici cercano da tempo modi per forzare i fotoni in volumi sempre più piccoli. La scala di lunghezza naturale del fotone è la lunghezza d'onda e quando un fotone viene costretto in una cavità molto più piccola della lunghezza d'onda, diventa effettivamente più "concentrato". Questa concentrazione migliora le interazioni con gli elettroni, amplificando i processi quantistici all'interno della cavità.
Tuttavia, nonostante il significativo successo nel confinare la luce in volumi profondi al di sotto della lunghezza d’onda, l’effetto della dissipazione (assorbimento ottico) rimane un ostacolo importante. I fotoni nelle nanocavità vengono assorbiti molto rapidamente, molto più velocemente della lunghezza d'onda, e questa dissipazione limita l'applicabilità delle nanocavità ad alcune delle applicazioni quantistiche più interessanti.
Il gruppo di ricerca del Prof. Frank Koppens dell'ICFO di Barcellona, Spagna, ha affrontato questa sfida creando nanocavità con una combinazione senza precedenti di volume della lunghezza d'onda secondaria e durata estesa. Queste nanocavità, che misurano un'area inferiore a 100x100 nm² e sono sottili solo 3 nm, confinano la luce per durate significativamente più lunghe. La chiave sta nell'uso di polaritoni fononici iperbolici, eccitazioni elettromagnetiche uniche che si verificano nel materiale 2D che forma la cavità.
A differenza degli studi precedenti sulle cavità basate sui polaritoni fononici, questo lavoro utilizza un meccanismo di confinamento nuovo e indiretto. Le nanocavità sono realizzate praticando fori su scala nanometrica in un substrato d'oro con l'estrema precisione (2-3 nanometri) di un microscopio a fascio ionico focalizzato su He. Dopo aver realizzato i fori, sopra viene trasferito il nitruro di boro esagonale (hBN), un materiale 2D.
L'hBN supporta eccitazioni elettromagnetiche chiamate polaritoni di fotoni iperbolici che sono simili alla luce ordinaria tranne che possono essere confinati in volumi estremamente piccoli. Quando i polaritoni passano sopra il bordo del metallo, subiscono da esso una forte riflessione, che permette loro di essere confinati. Questo metodo evita quindi di modellare direttamente l'hBN e ne preserva la qualità originaria, consentendo fotoni altamente confinati e di lunga durata nella cavità.
Questa scoperta è iniziata con un'osservazione casuale fatta durante un altro progetto mentre si utilizzava un microscopio ottico a campo vicino per scansionare strutture materiali 2D. Il microscopio a campo vicino consente di eccitare e misurare i polaritoni nella gamma del medio infrarosso dello spettro e i ricercatori hanno notato una riflessione insolitamente forte di questi polaritoni dal bordo metallico. Questa osservazione inaspettata ha dato il via a un'indagine più approfondita, che ha portato alla realizzazione dell'esclusivo meccanismo di confinamento e della sua relazione con la formazione di nanoraggi.
Tuttavia, dopo aver realizzato e misurato le cavità, il team ha avuto una grande sorpresa. "Le misurazioni sperimentali sono solitamente peggiori di quanto suggerirebbe la teoria, ma in questo caso abbiamo scoperto che gli esperimenti hanno sovraperformato le previsioni teoriche semplificate e ottimistiche", ha detto il primo autore, il dottor Hanan Herzig Sheinfux, del Dipartimento di Fisica dell'Università Bar-Ilan. "Questo successo inaspettato apre le porte a nuove applicazioni e progressi nella fotonica quantistica, ampliando i confini di ciò che pensavamo fosse possibile."
Il Dr. Herzig Sheinfux ha condotto la ricerca con il Prof. Koppens durante il suo periodo post-dottorato presso l'ICFO. Intende utilizzare queste cavità per osservare effetti quantistici precedentemente ritenuti impossibili, nonché per studiare ulteriormente la fisica intrigante e controintuitiva del comportamento dei polaritoni dei fononi iperbolici.
Ulteriori informazioni: Hanan Herzig Sheinfux et al, Nanocavità di alta qualità attraverso il confinamento multimodale di polaritoni iperbolici nel nitruro di boro esagonale, Nature Materials (2024). doi:10.1038/s41563-023-01785-w, www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università Bar-Ilan
