I metamateriali fotonici ibridi su multiscala
Il campo dell’ottica si sta espandendo rapidamente e due importanti aree di ricerca riguardano la fotonica e i metamateriali ottici. Il primo studia i fenomeni su meso-scala, dove i pacchetti di luce vengono trattati in modo molto simile agli elettroni nell’elettronica. Il secondo tratta le strutture su nanoscala, con dimensioni di lunghezza d’onda secondaria che impartiscono proprietà non facilmente visibili in natura. La combinazione di questi due tipi di strutture in un modo controllato nei dispositivi ibridi potrebbe portare a funzionalità senza precedenti e inimmaginabili. I modelli multi-scala sviluppati grazie al supporto dell’UE del progetto HYPHONE (Hybrid photonic metamaterials at the multiscale) stanno già aiutando il processo di progettazione. La ricerca si è concentrata sui metamateriali iperbolici, una delle nuove classi più insolite ed eccitanti dei metamateriali elettromagnetici. Il quadro teorico descrive la propagazione delle onde nei media non omogenei composti da multistrati metallo-dielettrici su scala ibrida. Questi mezzi sfruttano simultaneamente i fenomeni fotonici e le onde plasmoniche esotiche, esclusive per i materiali iperbolici, prodotti mediante l’accoppiamento di elettroni con la luce nell’ambiente metallo-dielettrico su nanoscala esotica. Il lavoro è partito dai monostrati plasmonici 1D come blocchi edilizi che sono stati combinati in multistrati plasmonici e di conseguenza in metamateriali iperbolici multistrato multi-scala. Gli scienziati stanno al momento perseguendo una realizzazione sperimentale di tali metamateriali iperbolici multi-scala. Potrebbero portare a capacità per l’imaging biologico privo di etichetta e alla manipolazione con risoluzione nanoscopica, facendo progredire la chimica e la biologia moderne. Prestando particolare attenzione alla massimizzazione degli effetti di interazione di fotoni-elettroni, i principi di progettazione monodimensionali sono quindi stati estesi a strutture 2D basate su reticoli di nanoparticelle e membrane con motivi a microfessure. Il team ha scoperto nuovi effetti fotoelettrici in reticoli di nanoparticelle che potrebbero spianare la strada a nuovi fotorilevatori e celle solari oltre a nuovi metodi nella fotocatalisi, nella fotochimica e nella fotoelettrochimica. Il lavoro sperimentale ha confermato la previsione teorica delle proprietà di controllo della polarizzazione delle membrane a microfessure nella gamma dei terahertz. Questa gamma a frequenze molto elevate è importante per numerose applicazioni all’avanguardia nella spettroscopia, nell’imaging medico e nella sicurezza. I modelli di HYPHONE e i risultati sperimentali hanno colmato le lacune della ricerca tra la fotonica e i metamateriali, spianando la strada a nuovi dispositivi per applicazioni ottiche integrate. Lungo il percorso, il consorzio ha offerto la formazione a una nuova generazione di scienziati pronti a spingere le frontiere di un campo multidisciplinare che potrebbe avere un importante impatto socioeconomico.
Parole chiave
Elettromagnetico, metamateriali, multi-scala, ibrido, fotonica, plasmonico, super-risoluzione, fotoelettricità, polarizzazione, multi-strati
