Disordine ben formato per tecnologie di illuminazione versatili

Dai microscopi alla trasmissione di dati tramite fibre ottiche, fino alle moderne tecnologie quantistiche, la luce svolge un ruolo importante nella scienza e nell'industria. In particolare, i metodi con cui è possibile modificare il colore - cioè la frequenza e la lunghezza d'onda - della luce sono di grande importanza nelle applicazioni moderne. Ciò richiede cristalli non lineari. In questi cristalli, ad esempio, due fotoni di una certa frequenza possono essere convertiti in un fotone di frequenza doppia, cioè due fotoni rossi possono essere convertiti in un fotone blu.

Per funzionare, tuttavia, la luce deve colpire il cristallo in una direzione molto specifica e con una polarizzazione specifica. Questa cosiddetta regolazione di fase spesso limita fortemente le possibilità di applicazione. I ricercatori guidati dalla professoressa Rachel Grange dell'Istituto di elettronica quantistica dell'ETH, insieme al gruppo di lavoro di Lucio Isa del Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali, hanno ora sviluppato un metodo che consente di ottenere un efficiente raddoppio della frequenza senza tale regolazione fine, offrendo anche altri vantaggi rispetto ai metodi convenzionali.

Approcci apparentemente incompatibili

La ricetta dei ricercatori può essere riassunta come segue: Meglio piccolo che grande e meglio disorganizzato che ordinato. Sembra un'affermazione sconcertante, ma il compito che il team di Grange si era prefissato era inizialmente altrettanto grande. "Per ottenere un raddoppio di frequenza migliore e più versatile, volevamo combinare due approcci che in realtà non vanno d'accordo", spiega Romolo Savo, che ha guidato il progetto come ricercatore post-dottorando nell'ambito di una borsa di studio Marie Curie.

Nel primo approccio, invece di un singolo cristallo di grandi dimensioni, vengono utilizzati molti mini-cristalli di pochi micrometri, i cui assi cristallini puntano in tutte le direzioni possibili. Ciò significa che non è più necessario prestare attenzione alla direzione dei raggi luminosi incidenti. Tra i tanti mini-cristalli ce ne saranno sempre alcuni allineati in modo favorevole e altri in modo sfavorevole, ma il risultato è che emerge comunque una quantità considerevole di luce a doppia frequenza. "Sembra paradossale", ammette Savo, "e alcuni dei nostri colleghi hanno trovato un po' strana l'idea di usare il disordine in questo modo - ma funziona!".

Il secondo approccio si basa sull'effetto di amplificazione delle risonanze. Se, ad esempio, la disposizione dei minicristalli è sferica con un diametro che corrisponde all'incirca alla lunghezza d'onda della luce, l'intensità luminosa all'interno della sfera viene aumentata di molte volte grazie alla riflessione ripetuta delle onde luminose sulle pareti della sfera, aumentando così anche la resa della luce a doppia frequenza.

Suggerimento per la vinaigrette durante la pausa caffè

"Avevamo questa grande idea, ma non sapevamo come trasformare i tanti minuscoli nanocristalli in microsfere perfette", racconta Savo. "Poi un giorno abbiamo incontrato Lucio Isa durante una pausa caffè, gli abbiamo parlato del nostro problema e lui ha subito avuto un suggerimento pronto"."Il suggerimento di Isa è stato quello di sciogliere la polvere di nanocristalli in acqua, mescolare la soluzione acquosa con l'olio e agitare vigorosamente il tutto, in modo simile a come si prepara una vinaigrette con aceto e olio. Nell'emulsione così creata si formano piccole bolle della soluzione di acqua e cristalli, da cui l'acqua evapora gradualmente attraverso l'olio. Ciò che rimane sono sfere perfettamente formate di nanocristalli disorganizzati, che è esattamente ciò che Grange e i suoi collaboratori volevano. "Questo suggerimento ha portato alla collaborazione con il team di Isa", dice Grange: "Queste collaborazioni spontanee e non pianificate sono spesso le più fruttuose. Naturalmente abbiamo provato subito la ricetta di Isa".

E la ricetta ha funzionato, anche meglio di quanto ci si potesse aspettare. "Il raddoppio di frequenza con le perle di nanocristalli disordinati funziona sia indipendentemente dalla direzione di incidenza della luce sia su un'ampia gamma di frequenze. Questo lo rende molto più versatile del raddoppio di frequenza con i cristalli convenzionali", spiega Savo. Inoltre, i ricercatori hanno ottenuto la stessa resa di luce raddoppiata in frequenza utilizzando il 70% di materiale in meno. A differenza dei normali cristalli, dove la resa luminosa non aumenta oltre una certa dimensione, con le microsfere ha continuato ad aumentare con il loro volume.

Cristalli laser in polvere di alta qualità

Nel prossimo futuro, Grange e i suoi colleghi intendono migliorare ulteriormente il metodo, ad esempio inserendo un distanziatore tra le microsfere e il disco di vetro su cui poggiano. Questo dovrebbe ridurre al minimo la perdita di luce. I ricercatori stanno anche già pensando alle possibili applicazioni. La prospettiva di produrre potenti cristalli non lineari da una polvere di nanocristalli semplice ed economica è generalmente interessante per le tecnologie laser. Inoltre, le microsfere possono essere distribuite su grandi aree. Questo potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per produrre nuovi tipi di schermi che convertono le immagini nella gamma degli infrarossi direttamente in immagini visibili raddoppiando la frequenza. Tali schermi potrebbero essere utilizzati nelle telecamere di sorveglianza o nelle scienze biologiche.