Nano-convertitori ottici ultraveloci comandati dalla luce

Progettata e realizzata una nanoantenna di dimensioni inferiori al millesimo di millimetro in grado di trasformare il colore della luce, controllabile attraverso la luce stessa. L’articolo “Ultrafast, All Optically Reconfigurable, Nonlinear Nanoantenna”, apparso sulla prestigiosa rivista ACS Nano, apre la strada allo sviluppo di nuovi dispositivi ottici miniaturizzati operanti ad altissima velocità, per applicazioni nel campo delle telecomunicazioni e non solo.

DALLE TELECOMUNICAZIONI AI LASER

La nuova tecnologia, ideata dai ricercatori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, degli istituti di Nanoscienze (Nano) e di Fotonica e nanotecnologie (Ifn) del Consiglio nazionale delle ricerche (CNR), insieme all’Università degli Studi di Brescia e all’Université de Paris, si basa sullo studio di nanoantenne ottiche. Si tratta di sottilissimi cilindri di materiale semiconduttore, 100 volte più sottili di un capello, progettati per assorbire lunghezze d’onda della luce visibile.

Quando la nanoantenna viene illuminata, concentra l’energia luminosa in un volume estremamente ridotto. In queste condizioni, il colore della luce può essere modificato da un fenomeno noto come generazione non lineare della luce. “Questo processo è di grande interesse in diversi settori applicativi, dalle telecomunicazioni, in cui è utilizzato per trasferire le informazioni da un canale di trasmissione ad un altro, ai visori notturni basati sulla conversione della radiazione termica infrarossa in luce visibile, alle sorgenti laser” – dice Eva Pogna, Alumna PhD in Fisica al Politecnico di Milano e giovane ricercatrice del CNR-Nano.

nanoparticelle
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L’INNOVAZIONE

Fino ad oggi erano state dimostrate nanoantenne cosiddette statiche, cioè tali per cui una volta fabbricate non era possibile modificarne le proprietà, ossia riconfigurarle per cambiare le caratteristiche della luce che esse possono emettere.

Il nuovo studio è pionieristico perché dimostra per la prima volta la possibilità di controllare il comportamento di queste nanoantenne ottiche in modo rapidissimo utilizzando la luce stessa come segnale di controllo: quando un impulso luminoso viene assorbito in una nanoantenna ne modifica infatti le caratteristiche risonanti. La modifica indotta dall’impulso di luce è reversibile e dura un tempo pari a qualche decina di picosecondi, consentendo di modulare il segnale generato dall’antenna ad una velocità senza precedenti.

UN PROGETTO INTERNAZIONALE A GUIDA ITALIANA

“Questa scoperta potrebbe aprire allo sviluppo di una nuova classe di dispositivi fotonici miniaturizzati ultraveloci basati su effetti non lineari, di interesse applicativo in svariati ambiti, dalle telecomunicazioni in fibra ottica al computer quantistico” – afferma Giuseppe Della Valle, Alumnus, docente del Dipartimento di Fisica e coordinatore del Progetto Europeo Horizon 2020 METAFAST (“METAsurfaces for ultraFAst light STructuring”).

La scoperta è frutto di un consorzio internazionale a guida italiana che vede la collaborazione fra i gruppi di nanofotonica e di spettroscopia ultraveloce di CNR e Politecnico di Milano (Prof. Giuseppe Della Valle, Dr. Eva Arianna Aurelia Pogna, Prof. Michele Celebrano, Prof. Marco Finazzi, Prof. Giulio Cerullo), dell’Università degli Studi di Brescia (Prof. Costantino De Angelis) e dell’Universitè de Paris (Prof. Giuseppe Leo).

Catalizzatori con prestazioni più efficienti e sostenibili grazie alla progettazione alla nanoscala

Il progetto politecnico SPECTROKIN è stato selezionato dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) come ERC Proof of Concept (PoC) grant 2020 e riceverà un finanziamento del valore di 150.000 euro.

SPECTROKIN (Operando-Spectroscopy Annular Reactor for Spectro-kinetic Analysis in Heterogeneous Catalysis), guidato dal prof. Matteo Maestri del Dipartimento di Energia, è la fase finale di un più grande progetto, SHAPE (Structure dependent microkinetic modeling of Heterogeneous cAtalytic ProcEsses), finanziato, sempre dalla Commissione europea, per 1 milione e mezzo di euro, e iniziato nel 2016 con l’obiettivo di sviluppare modelli microcinetici in grado di descrivere i cambiamenti della struttura di un catalizzatore in reazione. SHAPE ha aperto nuovi scenari per lo sviluppo di catalizzatori con prestazioni più efficienti e sostenibili per l’ambiente, grazie alla progettazione alla nanoscala del materiale catalitico, e sviluppato un prototipo di uno strumento innovativo per studiare le reazioni di catalisi in grado di fornire informazioni locali dettagliate sul comportamento del materiale catalitico nel reattore, sotto stretto controllo cinetico e condizioni quasi isoterme di funzionamento fino a 800 °C.

Oggi SPECTROKIN ha l’obiettivo di realizzare la fattibilità tecnico-commerciale del reattore anulare operando-Raman progettato e la sua integrazione con altre tecniche di caratterizzazione spettroscopica. I fondi ricevuti potranno essere investiti per individuare opportunità di business, preparare domande di brevetto e verificare come i risultati elaborati durante la ricerca possano trovare applicazione in innovazioni che portino beneficio all’industria e alla società.