Un gruppo di ricerca collaborativo guidato dal professor Shuang Zhang, capo ad interim del dipartimento di fisica dell'Università di Hong Kong (HKU), insieme al professor Qing DAI del Centro nazionale per le nanoscienze e la tecnologia, Cina, ha introdotto una soluzione per una questione prevalente nel campo della nanofotonica, che è lo studio della luce su scala estremamente piccola.
Le loro scoperte, recentemente pubblicate su Nature Materials , propongono un approccio sintetico basato su onde di frequenza complesse (CFW) per affrontare la perdita ottica nella propagazione dei polaritoni.
Questi risultati offrono soluzioni pratiche, come dispositivi basati sulla luce più efficienti per un'archiviazione ed elaborazione dei dati più rapida e compatta in dispositivi come chip di computer e dispositivi di archiviazione dati, e una migliore precisione nei sensori, nelle tecniche di imaging e nei sistemi di sicurezza.
I polaritoni plasmonici di superficie e i polaritoni fononici offrono vantaggi come un efficiente accumulo di energia, un miglioramento del campo locale e un'elevata sensibilità, beneficiando della loro capacità di confinare la luce su piccola scala. Tuttavia, le loro applicazioni pratiche sono ostacolate dal problema della perdita ohmica, che causa la dissipazione di energia quando interagiscono con i materiali naturali.
Negli ultimi tre decenni, questa limitazione ha impedito il progresso della nanofotonica per i circuiti di rilevamento, superimaging e nanofotonici. Il superamento della perdita ohmica migliorerebbe significativamente le prestazioni del dispositivo, consentendo il progresso nella tecnologia di rilevamento, nell'imaging ad alta risoluzione e nei circuiti nanofotonici avanzati.
Il professor Shuang Zhang, autore corrispondente dell'articolo, ha spiegato l'obiettivo della ricerca:"Per affrontare la sfida della perdita ottica nelle applicazioni chiave, abbiamo proposto una soluzione pratica. Impiegando una nuova eccitazione sintetica di onde complesse, possiamo ottenere un guadagno virtuale e contrastare la perdita intrinseca del sistema polaritone. Per convalidare questo approccio, lo abbiamo applicato al sistema di propagazione dei polaritoni fononici e abbiamo osservato un miglioramento significativo nella propagazione dei polaritoni."
"Abbiamo dimostrato il nostro approccio conducendo esperimenti utilizzando materiali polaritonici fononici, come hBN e MoO3 , nella gamma di frequenze ottiche. Come previsto, abbiamo ottenuto una distanza di propagazione quasi senza perdite coerente con le nostre previsioni teoriche," ha aggiunto il dottor Fuxin Guan, primo autore dell'articolo e ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell'HKU.
Approccio multifrequenza per superare la perdita ottica
In questa ricerca, il team ha sviluppato un nuovo approccio a frequenza multipla per affrontare la perdita di energia nella propagazione dei polaritoni. Hanno utilizzato un tipo speciale di onda chiamata "onde di frequenza complesse" per ottenere un guadagno virtuale e compensare la perdita in un sistema ottico. Mentre un'onda regolare mantiene un'ampiezza o intensità costante nel tempo, un'onda a frequenza complessa mostra simultaneamente sia l'oscillazione che l'amplificazione. Questa caratteristica consente una rappresentazione più completa del comportamento delle onde e consente la compensazione della perdita di energia.
Sebbene la frequenza sia comunemente percepita come un numero reale, può avere anche una parte immaginaria. Questa parte immaginaria ci dice come l'onda diventa più forte o più debole nel tempo. Le onde con una frequenza complessa caratterizzata da una parte immaginaria negativa (positiva) decadono (amplificano) nel tempo. Tuttavia, effettuare direttamente la nostra misurazione sotto l'eccitazione di onde di frequenza complesse nell'ottica è impegnativo perché richiede misurazioni complesse basate sul tempo.
Per superare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato lo strumento matematico della Trasformata di Fourier per scomporre un'onda di frequenza complessa troncata (CFW) in più componenti con frequenze individuali.
Proprio come quando cucini e hai bisogno di un ingrediente specifico difficile da trovare, i ricercatori hanno utilizzato un’idea simile. Hanno scomposto le complesse onde di frequenza in componenti più semplici, come quando si utilizzano ingredienti sostitutivi in una ricetta. Ogni componente rappresentava un aspetto diverso dell'onda. È come creare un piatto delizioso utilizzando ingredienti sostitutivi per ottenere il sapore desiderato.
Misurando questi componenti a frequenze diverse e combinando i dati, hanno ricostruito il comportamento del sistema illuminato dalla complessa onda di frequenza. Ciò li ha aiutati a comprendere e compensare la perdita di energia. Questo approccio semplifica notevolmente l'implementazione pratica dei CFW in diverse applicazioni, tra cui la propagazione dei polaritoni e il superimaging.
Conducendo misurazioni ottiche a diverse frequenze reali con un intervallo fisso, diventa possibile costruire la risposta ottica del sistema ad una frequenza complessa. Ciò si ottiene combinando matematicamente le risposte ottiche ottenute a diverse frequenze reali.
Il professor Qing Dai, del Centro nazionale per le nanoscienze e la tecnologia e un altro autore corrispondente dell'articolo, hanno affermato che questo lavoro ha fornito una soluzione pratica per affrontare il problema di lunga data della perdita ottica nella nanofotonica.
Ha evidenziato l'importanza del metodo a frequenza complessa sintetizzato, affermando che può essere facilmente applicato a varie altre applicazioni come il rilevamento molecolare e i circuiti integrati nanofotonici. Ha inoltre sottolineato che "questo metodo è straordinario e universalmente applicabile, poiché può essere utilizzato anche per affrontare la perdita in altri sistemi di onde, comprese le onde sonore, le onde elastiche e le onde quantistiche, migliorando così la qualità dell'immagine a livelli senza precedenti." /P>
Dimostrazione sperimentale
Come prova del concetto, il team ha iniziato con la propagazione dei polaritoni fononici (PhPs) a frequenze ottiche di circa 1.450 cm
-1
utilizzando pellicole hBN. Una lunga antenna dorata posizionata sulla pellicola hBN viene utilizzata per lanciare i PhP 1D. Le distribuzioni di campo delle due frequenze reali e delle due frequenze complesse sono visualizzate rispettivamente nelle Figure 2a e 2b.
I risultati sperimentali dimostrano che mentre la propagazione alle frequenze reali subisce una forte attenuazione, il polaritone alle frequenze complesse non subisce quasi alcun decadimento lungo la propagazione.
Il team ha inoltre applicato l'approccio complesso della frequenza per studiare le distribuzioni di campo più complicate supportate da un film sottile di cristallo di van der Waals α-MoO3 , che è altamente anisotropo e supporta polaritoni iperbolici naturali nel piano.
Sull'α-MoO3 è posizionata un'antenna metallica come fonte di eccitazione pellicola come mostrato in Fig. 3a. La variazione della distribuzione del campo mostra un caratteristico comportamento di propagazione iperbolica con un fronte d'onda concavo (vedi Fig. 3b).
All'aumentare della frequenza la lunghezza d'onda diminuisce con un maggiore confinamento di campo e nel frattempo la propagazione diventa più attenuata. Tutti questi grafici di frequenza reale vengono combinati in base al rapporto della frequenza complessa per ottenere il risultato della frequenza complessa in Fig. 3c.
Il team ha infine studiato il comportamento di interferenza dei PhP utilizzando l'approccio della frequenza complessa. Sul MoO3 vengono fabbricate due antenne circolari con diametri diversi pellicola per eccitare i polaritoni fononici, come mostrato in Fig. 3d.
Mentre i grafici di frequenza reali non possono mostrare frange di interferenza chiare, come mostrato in Fig. 3e, i grafici di frequenza complessi di frange di interferenza chiare possono essere sintetizzati dopo aver combinato i risultati di diverse frequenze reali e come mostrato in Fig. 3f.
Ulteriori informazioni: Fuxin Guan et al, Compensazione delle perdite nella propagazione dei polaritoni con eccitazione di frequenza complessa sintetizzata, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01787-8
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università di Hong Kong 
