Un dispositivo miniaturizzato simile a un laser per i plasmoni di superficie

Quando la luce viene confinata tra due specchi semiriflettenti e amplificata da un materiale contenuto all'interno, il fascio di luce risultante può essere estremamente luminoso e monocromatico. Questo è il principio di funzionamento del laser, uno strumento utilizzato in tutti i settori della vita moderna, dai lettori DVD alle sale operatorie.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati da David Norris, professore del Laboratorio di ingegneria dei materiali ottici, e Dimos Poulikakos, professore del Laboratorio di termodinamica nelle tecnologie emergenti, hanno sviluppato un dispositivo in miniatura che applica lo stesso principio ai cosiddetti plasmoni di superficie. Le onde elettromagnetiche generate da un laser a plasmoni di superficie, o "spaser", possono essere focalizzate molto più fortemente della luce. Ciò le rende interessanti sia per la ricerca fondamentale che per applicazioni tecniche come i sensori.

Un minuscolo risonatore per plasmoni di superficie

A differenza delle normali onde luminose, che si propagano liberamente in un materiale trasparente, i plasmoni di superficie consistono in onde elettromagnetiche strettamente legate a modulazioni ondulatorie nella distribuzione della densità degli elettroni in una superficie metallica. Gli effetti ottici dei plasmoni di superficie possono essere ammirati, ad esempio, nelle vetrate delle cattedrali medievali. Lì, i plasmoni generati dalla luce incidente sulle nanoparticelle metalliche conferiscono alle vetrate i loro colori speciali e intensi.

L'équipe dell'ETH ha ora creato l'equivalente di un risonatore laser per i plasmoni di superficie, creando superfici d'argento estremamente lisce sulle quali sono stati posizionati due blocchi d'argento leggermente curvi, lunghi pochi micrometri e alti solo mezzo micrometro. Questi microblocchi svolgono la stessa funzione degli specchi di un laser. I plasmoni di superficie possono volare avanti e indietro tra i blocchi molte volte. L'amplificazione necessaria per ottenere un raggio spaser proviene in ultima analisi dai punti quantici collocati nel risonatore. I punti quantici sono minuscole particelle semiconduttrici che si comportano in modo simile a singoli atomi (a volte vengono chiamati "atomi artificiali") e possono essere fabbricati per amplificare le onde elettromagnetiche della frequenza desiderata.

I ricercatori hanno collocato i punti quantici nel risonatore spaser sciogliendoli in un liquido e stampandoli poi sulla superficie d'argento con una precisione di un nanometro attraverso un minuscolo ugello. Questa tecnica è stata sviluppata nel laboratorio del professore Poulikakos. Una volta che il risonatore e i punti quantici erano pronti, i plasmoni di superficie potevano essere iniettati nello spaser esponendo i punti quantici a un raggio laser.

Possibile un ulteriore rafforzamento

"Nel nostro lavoro abbiamo cercato di riunire gli elementi di base di uno spaser in un unico piccolo dispositivo", spiega Jian Cui, post-dottorando del gruppo di ricerca di Norris e autore dello studio recentemente pubblicato sulla rivista Science Advances. Oltre al risonatore spaser e al materiale amplificatore, gli scienziati hanno incorporato un altro amplificatore che utilizza punti quantici per aumentare ulteriormente la luminosità del fascio di plasmoni di superficie che emerge dal risonatore.

L'amplificatore è triangolare, in modo che i plasmoni non siano solo amplificati, ma anche focalizzati su una punta di dimensioni nanometriche. In questo modo, le onde elettromagnetiche sono concentrate in un volume molto più piccolo della dimensione più piccola in cui la luce normale potrebbe essere focalizzata. In futuro, questa proprietà potrebbe essere utilizzata per metodi di rilevamento altamente sensibili per le biomolecole, ad esempio.

Verso i circuiti integrati con gli spaser

Ora che hanno dimostrato che il loro spaser in miniatura funziona, i ricercatori del Fare all'ETH stanno già lavorando al prossimo passo logico. "I nostri metodi di fabbricazione sono altamente riproducibili e versatili, quindi ora possiamo pensare di costruire circuiti integrati con più elementi: Spasers, amplificatori, regioni di rilevamento e così via", afferma il professore Norris.

Il nuovo approccio presenta diversi vantaggi rispetto ai precedenti tentativi di realizzare gli spaser. Queste tecnologie precedenti utilizzavano una particella metallica come risonatore, dalla quale non poteva emergere il raggio spaser. Il metodo sviluppato da Fare all'ETH utilizza uno strato metallico piatto con specchi integrati, che offre ai ricercatori una maggiore libertà nelle dimensioni e nella geometria del risonatore. Allo stesso tempo, consente di analizzare direttamente i plasmoni di superficie.