La scoperta della fisica porta a materiali ottici balistici

WEST LAFAYETTE, Ind. L’elettronica viene sempre più associata a sistemi ottici, come quando si accede a Internet su un computer alimentato elettronicamente tramite cavi in ​​fibra ottica.

Ma l’ottica ad incastro – che si basa su particelle di luce chiamate fotoni – con l’elettronica – che si basa sugli elettroni – è una sfida, a causa della variabilità delle loro scale. Gli elettroni operano su una scala molto più piccola della luce. La mancata corrispondenza tra i sistemi elettronici e ottici significa che ogni volta che il segnale passa da uno all’altro, l’inefficienza si insinua nel sistema.

Ora, un team guidato da uno scienziato della Purdue University ha trovato un modo per creare metamateriali più efficienti utilizzando semiconduttori e un nuovo aspetto della fisica che raddoppia l’attività degli elettroni. Lo studio è pubblicato sulla rivista ottica.

Questa nuova classe di materiali ha il potenziale per aumentare notevolmente la precisione nella scansione medica e nell’imaging scientifico e ridurre notevolmente le dimensioni dei supercomputer, creando un futuro in cui gli scienziati possono vedere le piccole cose in modo molto più dettagliato e i dispositivi sono più piccoli e più potenti.

Gli scienziati hanno lavorato per decenni per ridurre i fotoni su scala nanometrica per renderli più compatibili con gli elettroni, un campo noto come nanoscienza. Ciò può essere ottenuto utilizzando materiali diluiti e costose tecniche di produzione per creare i cosiddetti materiali iperbolici. Utilizzando materiali iperbolici, gli scienziati possono ridurre i fotoni comprimendo la luce, facilitando l’interazione con i sistemi elettrici.

Evgeny Narimanov, un fisico teorico e professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Purdue University, ha spiegato: “La cosa più importante dei materiali iperbolici è che possono comprimere la luce su quasi tutte le scale. E quando puoi rendere la luce piccola, risolvi un problema separando l’ottica dall’elettronica. Quindi puoi fare l’elettronica. Fotocellula molto efficiente. “

Il problema è la formazione di questi materiali iperbolici. Tipicamente costituita da strati interconnessi di metalli e isolanti elettrici, ogni superficie dovrebbe essere il più liscia e libera possibile a livello atomico, il che è difficile, dispendioso in termini di tempo e costoso.

Narimanov ritiene che la soluzione includa i semiconduttori. Non è, ha sottolineato, a causa di qualcosa di diverso dal semiconduttore stesso. Ma perché scienziati e ricercatori hanno dedicato gli ultimi 70 anni o più alla produzione efficiente di semiconduttori di alta qualità. Narimanov si chiedeva se potesse sfruttare questa efficienza e applicarla per produrre metamateriali nuovi e migliorati.

Sfortunatamente, i semiconduttori non sono intrinsecamente buoni penetratori ottici; Non hanno abbastanza elettroni. Possono funzionare a frequenze relativamente basse, nella gamma dell’infrarosso medio e lontano. Ma per migliorare le tecniche di imaging e rilevamento, gli scienziati hanno bisogno di supermateriali che operino nel visibile nello spettro del vicino infrarosso, con lunghezze d’onda molto più corte dell’infrarosso medio e lontano.

Narimanov ei suoi collaboratori hanno scoperto e testato un fenomeno ottico chiamato “risonanza balistica”. In questo nuovo materiale ottico, che combina concetti di metamateriali con la precisione atomica di un semiconduttore monocristallino, gli elettroni liberi (balistici) interagiscono con un campo ottico oscillante.

Il campo ottico coincide con la frequenza di movimento degli elettroni liberi mentre rimbalzano entro i confini dei sottili strati conduttivi, formando un materiale composito, che porta alla risonanza elettronica, che migliora l’interazione di ogni elettrone e crea un supermateriale che funziona a frequenze più alte. Anche se i ricercatori devono ancora raggiungere le lunghezze d’onda dello spettro visibile, sono arrivati ​​al 60% del percorso.

“Abbiamo dimostrato che esiste un meccanismo fisico che lo rende possibile”, ha detto Narimanov. “Prima, le persone non si rendevano conto che si poteva fare qualcosa. Abbiamo aperto la strada. Abbiamo dimostrato che era teoricamente possibile, e poi sperimentalmente abbiamo mostrato un miglioramento del 60% nella frequenza di esecuzione rispetto ai materiali esistenti”.

Narimanov ha avuto l’idea e poi ha collaborato con Kuhn Lee, Andrew Briggs, Seth Punk e Daniel Wasserman presso l’Università del Texas, così come Evan Simons e Victor Podolsky presso l’Università del Massachusetts Lowell. I ricercatori dell’Università del Texas hanno sviluppato la tecnica di produzione, mentre gli scienziati del Massachusetts Lowell hanno contribuito alla teoria quantistica completa ed hanno eseguito simulazioni numeriche per assicurarsi che tutto funzionasse come previsto.

“Continueremo a spingere questi limiti”, ha detto Narimanov. “Anche se avessimo molto successo, nessuno otterrebbe i metamateriali semiconduttori dello spettro visibile e del vicino infrarosso in un anno o due. Potrebbero volerci circa cinque anni. Ma quello che abbiamo fatto è stato fornire la piattaforma materiale. Il collo di bottiglia dei fotoni è nel materiale dove possono essere. Che elettroni e fotoni si incontrano sulla stessa scala di lunghezza e l’abbiamo risolto “.

###

Questo lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Science Foundation (sovvenzioni DMR-1629276, DMR-1629330, DMR-1629570 ed ECCS-1926187), la Defense Advanced Research Projects Agency, l’Emerging Light Interactions Program e la Gordon and Betty Moore Foundation.

Astratto

Materiali per piercing balistici

Kon Leah, Evan Simons, AF Briggs, SR Panca, Daniel Wasserman, Victor A. Podolsky, Evgeny E. Narimanov

DOI: 10.1364 / OPTICA.402891

Abbiamo riportato la previsione teorica e la percezione sperimentale di un nuovo fenomeno ottico, la risonanza balistica. Questa risonanza, risultante dall’interazione tra il movimento a carica libera in geometrie confinate e campi elettromagnetici impulsivi periodici, può essere utilizzata per ottenere una permettività negativa a frequenze molto più alte della frequenza del plasma di massa. Pertanto, la risonanza balistica consente la realizzazione e l’implementazione di varie applicazioni basate sull’ottimizzazione del campo locale e sulla modulazione delle emissioni, solitamente associate ai materiali plasma, in nuove piattaforme di materiali. Come prova di principio, mostriamo tutti i metamateriali semiconduttori iperboloidi che operano a frequenze superiori del 60% rispetto alla frequenza di plasma dello strato “metallico” dei semiconduttori.