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Oct 22, 2023

Ricercatori stanno migliorando la tecnologia per generare armoniche elevate in metasuperfici nanostrutturate non lineari

May 18, 2023 This article

18 maggio 2023

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dall'Università di Paderborn

I cristalli naturali e artificiali possono modificare il colore spettrale della luce, noto come effetto ottico non lineare. La conversione del colore viene utilizzata per numerose applicazioni, tra cui la microscopia non lineare per strutture biologiche ed esami dei materiali, sorgenti luminose a LED e laser nelle comunicazioni ottiche e nella fotonica e nelle tecnologie che ne derivano come l'informatica quantistica. I ricercatori dell’Università di Paderborn hanno ora trovato un modo per migliorare il processo fisico alla base del fenomeno. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Light: Science & Applications.

"Il processo si basa sul potenziale anarmonico degli atomi di cristallo e spesso provoca una moltiplicazione precisa della frequenza della luce, nota come generazione di 'armoniche superiori', simili ai toni uditi quando vibra la corda di uno strumento musicale", ha affermato il fisico Professor Cedrik di Paderborn. Meier spiega.

Sebbene l’effetto si presenti naturalmente in molti cristalli, spesso è estremamente debole. Detto questo, ci sono stati vari approcci per aumentare l’effetto, ad esempio combinando diversi materiali e le loro strutture su scala micro e nano. L'Università di Paderborn ha condotto ricerche intense e di successo in questo settore negli ultimi decenni.

Un punto focale di questa ricerca sulla fotonica sono i metamateriali, e in particolare le metasuperfici. Si tratta dell'applicazione di elementi strutturati nella gamma dei nanometri su un substrato sottile, che poi interagisce con la luce in entrata e produce ad esempio risonanze ottiche. Con una durata più lunga e una maggiore messa a fuoco, la luce può generare armoniche più elevate in modo più efficiente.

Una collaborazione interdisciplinare vede i gruppi di ricerca gestiti dal professor Cedrik Meier (nanofotonica e nanomateriali), dal professor Thomas Zentgraf (nanofotonica ultraveloce) e dal professor Jens Förstner (ingegneria elettrica teorica) dell'Università di Paderborn lavorare insieme nell'ambito della ricerca collaborativa "Tailored Nonlinear Photonics" Center/Transregio 142 per sviluppare un approccio innovativo per generare armoniche superiori in modo più efficiente. Utilizzando applicazioni appositamente proporzionate di cilindri ellittici microscopici fatti di silicio, possono sfruttare l'effetto Fano, un particolare meccanismo fisico in cui molteplici risonanze si intensificano a vicenda.

I ricercatori inizialmente hanno utilizzato la simulazione digitale per determinare i parametri geometrici ideali e hanno studiato la fisica sottostante. Hanno poi creato nanostrutture utilizzando processi litografici all'avanguardia e condotto esami ottici. Sono stati in grado di dimostrare attraverso la teoria e la sperimentazione che ciò consente di generare la terza armonica, cioè la luce con una frequenza tripla della luce in arrivo, in modo molto più efficiente rispetto alle strutture note precedenti.

Maggiori informazioni: David Hähnel et al, Un meccanismo super-fano multimodale per una generazione avanzata della terza armonica nelle metasuperfici di silicio, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01134-1

Informazioni sul diario:Luce: scienza e applicazioni

Fornito dall'Università di Paderborn