Innovazione nel controllo della luce

May 20, 2023

Di Pohang University of Science & Technology (POSTECH), 24 maggio 2023

Diagramma schematico di una metagriglia che converte la luce normalmente incidente in SPP unidirezionali. La cella unitaria del metagrating è costituita da due diverse nanostrutture e induce perdite ottiche su misura. Credito: POSTECH

Gli scienziati del POSTECH coreano e della Northeastern University statunitense sono riusciti a manipolare con successo la luce utilizzando meta-reticoli non hermitiani, trasformando la perdita ottica in uno strumento utile. Hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare la direzione della luce utilizzando accoppiatori a meta-reticolo appositamente progettati. Questa svolta potrebbe far avanzare la ricerca sui sensori quantistici e portare a una serie di nuove applicazioni, come la diagnosi delle malattie e il rilevamento dell’inquinamento.

La luce è un fenomeno fisico molto delicato e vulnerabile. La luce può essere assorbita o riflessa sulla superficie di un materiale a seconda delle proprietà della materia oppure cambiare forma ed essere convertita in energia termica. Una volta raggiunta la superficie di un materiale metallico, la luce tende anche a perdere energia a favore degli elettroni all'interno del metallo, un'ampia gamma di fenomeni che chiamiamo "perdita ottica".

La produzione di elementi ottici ultrapiccoli che utilizzano la luce in vari modi è molto difficile poiché minori sono le dimensioni di un componente ottico comportano una maggiore perdita ottica. Tuttavia, negli ultimi anni, la teoria non hermitiana, che utilizza la perdita ottica in un modo completamente diverso, è stata applicata alla ricerca sull’ottica. Si stanno facendo nuove scoperte in fisica adottando la teoria non hermitiana che abbraccia la perdita ottica, esplorando modi per sfruttare il fenomeno, a differenza della fisica generale in cui la perdita ottica è percepita come una componente imperfetta di un sistema ottico. Una "benedizione sotto mentite spoglie" è quella che inizialmente sembra essere un disastro ma che alla fine si traduce in buona fortuna. Questa storia di ricerca è una benedizione sotto mentite spoglie in fisica.

Visualizzazione della luce incidente su un metagrato e sua conversione in SPP unidirezionali. (Simulazione) Credito: POSTECH

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances, la rivista accademica internazionale.

Quando la luce incide su una superficie metallica, gli elettroni nel metallo oscillano collettivamente come un unico corpo con l'onda luminosa. Il fenomeno è chiamato polaritone plasmonica di superficie o SPP. Un "accoppiatore a griglia" è ampiamente utilizzato come dispositivo ausiliario per controllare le direzioni degli SPP. L'efficienza del dispositivo è limitata in quanto converte la luce incidente ad angolo retto in SPP in direzioni non previste.

Osservazione della figura di interferenza tra l'SPP che si propaga a destra e l'SPP riflesso dal metagrato. A causa dell'unidirezionalità della metagriglia, l'SPP non trasmette attraverso la metagriglia nella direzione opposta. Credito: POSTECH

Il gruppo di ricerca ha applicato la teoria non hermitiana per superare l’inconveniente. Per cominciare, il team ha calcolato il punto teorico eccezionale in prossimità del quale si verifica una certa perdita ottica. Successivamente, ne hanno convalidato l'efficacia attraverso esperimenti utilizzando il loro accoppiatore a meta-reticolo non hermitiano appositamente progettato. L'accoppiatore a meta-reticolo si è dimostrato efficace nel fornire un controllo unidirezionale degli SSP, cosa quasi impossibile con altri accoppiatori a reticolo. Potrebbero anche far propagare la luce e l’SPP in direzioni opposte controllando la dimensione e la distanza dei meta-reticoli. Il gruppo di ricerca è riuscito a convertire la luce incidente in SSP in luce normale utilizzando lo stesso dispositivo a meta-reticolo.