Il modo in cui la luce interagisce con i materiali presenti in natura è ben compreso nella fisica e nella scienza dei materiali. Ma negli ultimi decenni, i ricercatori hanno fabbricato metamateriali che interagiscono con la luce in modi nuovi che vanno oltre i limiti fisici imposti ai materiali presenti in natura.
Un metamateriale è composto da schiere di "meta-atomi", che sono stati fabbricati in strutture desiderabili su una scala di circa un centinaio di nanometri. La struttura delle schiere di metaatomi facilita precise interazioni luce-materia. Tuttavia, le grandi dimensioni dei metaatomi rispetto agli atomi normali, che sono più piccoli di un nanometro, hanno limitato le prestazioni dei metamateriali per le applicazioni pratiche.
Ora, un gruppo di ricerca collaborativo guidato da Bo Zhen dell’Università della Pennsylvania ha svelato un nuovo approccio che ingegnerizza direttamente le strutture atomiche del materiale impilando gli array bidimensionali in formazioni a spirale per sfruttare una nuova interazione luce-materia. Questo approccio consente ai metamateriali di superare gli attuali limiti tecnici e apre la strada ai laser, all’imaging e alle tecnologie quantistiche di prossima generazione. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Photonics .
"È simile a impilare un mazzo di carte, ma torcendo leggermente ciascuna carta prima di aggiungerla alla pila", afferma Zhen, autore senior dello studio e assistente professore presso la School of Arts &Sciences della Penn. "Questa svolta cambia il modo in cui l'intero 'mazzo' risponde alla luce, consentendogli di mostrare nuove proprietà che i singoli strati, o le pile tradizionali, non possiedono."
Bumho Kim, ricercatore post-dottorato presso lo Zhen Lab e primo autore dell'articolo, spiega che impilando strati di un materiale chiamato disolfuro di tungsteno (WS2 ) e ruotandoli secondo determinati angoli, hanno introdotto le cosiddette simmetrie a vite.
"La magia sta nel controllare la svolta", spiega Kim. "Quando ruoti gli strati ad angoli specifici, cambi la simmetria della pila. La simmetria, in questo contesto, si riferisce a come determinate proprietà dei materiali, come il modo in cui interagiscono con la luce, sono vincolate dalla loro disposizione spaziale."
Modificando questa disposizione su scala atomica, i ricercatori hanno piegato le regole di ciò che questi materiali possono fare e controllando la torsione su più strati di WS2 , hanno creato i cosiddetti materiali ottici non lineari 3D.
Kim spiega che un singolo strato di WS2 presenta particolari simmetrie, che permettono certi tipi di interazioni con la luce, dove due fotoni ad una data frequenza possono interagire con il materiale per produrre un nuovo fotone al doppio della frequenza, un processo noto come generazione della seconda armonica (SHG).
"Ma, quando due strati di WS2 sono impilati con un angolo di torsione diverso dai convenzionali 0° o 180°, tutte le simmetrie dello specchio che erano presenti nel singolo strato vengono rotte," dice Kim. "Questa simmetria dello specchio rotta è cruciale perché porta a una risposta chirale, qualcosa completamente nuovo e non visibile nei singoli strati."
I ricercatori spiegano che la risposta chirale è significativa perché è un effetto cooperativo derivante dall'accoppiamento tra le funzioni d'onda elettroniche dei due strati, un fenomeno che può verificarsi solo in interfacce ritorte.
Una proprietà interessante, aggiunge Zhen, è che il segno della risposta non lineare chirale si inverte quando l’angolo di torsione viene invertito. Ciò dimostra il controllo diretto sulle proprietà non lineari semplicemente modificando l'angolo di torsione tra gli strati, un livello di regolazione che potrebbe essere rivoluzionario per la progettazione di materiali ottici con risposte personalizzate.
Passando dai doppi strati ai tristrati e oltre, i ricercatori hanno osservato come le risposte SHG interfacciali possano interferire in modo costruttivo o distruttivo a seconda degli angoli di torsione tra gli strati.
In uno stack con strati multipli di quattro, "le risposte chirali provenienti da tutte le interfacce si sommano, mentre le risposte nel piano si annullano", afferma Kim. "Ciò porta a un nuovo materiale che mostra solo suscettibilità non lineari chirali. Questo risultato non potrebbe essere ottenuto senza l'impilamento e la torsione precisi degli strati."
I ricercatori hanno scoperto che la simmetria a vite consente una nuova selettività per il campo elettrico della luce nel materiale, una parte della luce che ne determina la direzione e l'intensità. Kim nota come hanno scoperto che la simmetria a vite consente un nuovo tipo di generazione di luce in quattro e otto-torte. pile di strati, generazione di terza armonica polarizzata controcircolarmente, in cui la luce viaggia nella direzione a spirale opposta, una qualità non vista nel costituente WS2 monostrati.
"L'aggiunta di una simmetria artificiale della vite ci consente di controllare la selettività ottica circolare non lineare su scala nanometrica", afferma Kim.
Nel testare sperimentalmente questa tecnica, i ricercatori hanno verificato le non linearità previste inerenti a varie configurazioni di WS2 ritorto pile. Il team ha osservato nuove risposte non lineari e selettività circolare nel WS2 contorto stack che non possono essere trovati in WS2 presenti in natura , una rivelazione che potrebbe avere profonde implicazioni nel campo dell'ottica non lineare.
Ulteriori informazioni: Bumho Kim et al, Materiali ottici non lineari tridimensionali da interfacce van der Waals bidimensionali ritorte, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01318-6
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
Fornito dall'Università della Pennsylvania
