Accensione e spegnimento di nanolight

Attuato un passo importante verso il controllo della nanolight, che è la luce capace di accedere alle scale di lunghezza più piccole immaginabili.

Le modalità elettroniche collettive o le vibrazioni reticolari di solito vietano la propagazione della radiazione elettromagnetica attraverso la maggior parte dei materiali comuni su una gamma di frequenza associata a queste oscillazioni. Tuttavia, questo principio da manuale non si applica necessariamente ai cristalli stratificati. I materiali altamente anisotropi spesso mostrano proprietà ottiche non intuitive e possono consentire la propagazione di modalità di guida d'onda subdiffrazionali, con dispersione iperbolica, in tutto il loro volume.

La propagazione della luce all'interno di un materiale è generalmente ben definita, con la propagazione descritta per diffusione e dispersione. Nei metamateriali progettati artificialmente e nei materiali stratificati anisotropi, la dispersione può essere iperbolica, dando luogo a un confinamento della lunghezza d'onda inferiore alla luce.

In questo studio gli scienziati della Columbia University mostrano che la dispersione iperbolica può essere attivata e disattivata otticamente su richiesta nel dichalcogenide di tungsteno diseleniuro di metallo di transizione stratificato. L'illuminazione del materiale con impulsi ultraveloci di luce sub-bandgap crea una guida d'onda transitoria, con conseguente dispersione iperbolica nel materiale. La capacità di regolare le caratteristiche di dispersione su richiesta utilizzando il pompaggio ottico è un approccio efficace per lo sviluppo di dispositivi fotonici a commutazione ultraveloce e per il controllo della propagazione della luce su nanoscala.

Gli ingegneri hanno sviluppato una piattaforma unica per programmare un cristallo stratificato, producendo capacità di imaging oltre i limiti comuni su richiesta.

La scoperta, descritta sulla rivista Science, (1) è un passo importante verso il controllo della nanolight, che è la luce che può accedere alle scale di lunghezza più piccole immaginabili. Il lavoro fornisce anche approfondimenti per il campo dell'elaborazione ottica dell'informazione quantistica, che mira a risolvere problemi difficili nell'informatica e nelle comunicazioni.

«Siamo stati in grado di utilizzare la microscopia su nanoscala ultraveloce per scoprire un nuovo modo di controllare i nostri cristalli con la luce, attivando e disattivando le proprietà fotoniche elusive a nostro piacimento», ha detto il dottor Aaron Sternbach, (2) ricercatore post-dottorato presso la Columbia che è capo investigatore dello studio. «Gli effetti sono di breve durata, durano solo trilionesimi di secondo, ma ora siamo in grado di osservare chiaramente questi fenomeni».

La natura pone un limite alla quantità di luce che può essere focalizzata. Anche nei microscopi, due oggetti diversi che sono più vicini di questo limite sembrerebbero essere uno. Ma all'interno di una classe speciale di materiali cristallini stratificati, noti come cristalli di van de Waals, queste regole possono, a volte, essere infrante. In questi casi speciali, la luce può essere confinata senza limiti in questi materiali, consentendo di vedere chiaramente anche gli oggetti più piccoli.

Nei loro esperimenti, i ricercatori della Columbia hanno studiato il cristallo di van der Waals chiamato diseleniuro di tungsteno, che è di grande interesse per la sua potenziale integrazione nelle tecnologie elettroniche e fotoniche a causa della sua struttura unica e delle forti interazioni con la luce.

Quando gli scienziati hanno illuminato il cristallo con un impulso di luce, sono riusciti a modificare la struttura elettronica del cristallo. La nuova struttura, creata dall'evento di commutazione ottica, ha permesso che accadesse qualcosa di molto raro: dettagli super fini, su scala nanometrica, potevano essere trasportati attraverso il cristallo e visualizzati sulla sua superficie.

Il rapporto dimostra un nuovo metodo per controllare il flusso di luce di nanolight. La manipolazione ottica su nanoscala, o nanofotonica, è diventata un'area di interesse critica poiché i ricercatori cercano modi per soddisfare la crescente domanda di tecnologie che vanno ben oltre ciò che è possibile con la fotonica e l'elettronica convenzionali.

Il dottor Dimitri N. Basov, (3) professore di fisica di Higgins alla Columbia University e autore senior dell'articolo, ritiene che i risultati del team stimoleranno nuove aree di ricerca nella materia quantistica. «Gli impulsi laser ci hanno permesso di creare un nuovo stato elettronico in questo prototipo di semiconduttore, anche se solo per pochi pico-secondi», ha detto. «Questa scoperta ci mette sulla buona strada verso fasi quantistiche programmabili otticamente in nuovi materiali».

Scienziati del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, University of California-San Diego, University of Washington, Center for Computational Quantum Physics-Flatiron hanno contribuito allo studio “Polaritoni iperbolici programmabili nei semiconduttori van der Waals”.

Riferimenti:

(1) Programmable hyperbolic polaritons in van der Waals semiconductors

(2) Aaron Sternbach

(3) Dimitri N. Basov

Descrizione foto: Viene mostrato un gas eccitato otticamente di portanti elettronici confinato ai piani del diseleniuro di tungsteno semiconduttore di van-der Waals stratificato. La conseguente risposta iperbolica permette il passaggio di nanolight. - Credit: Ella Maru Studio.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Switching Nanolight On and Off