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).

Il Poli ha sviluppato un nuovo metodo per l’accelerazione di particelle

Acceleratori più piccoli, flessibili ed economici permetteranno di potenziare la ricerca fondamentale con ricadute importanti su molti campi di applicazione, dalle terapie per la cura dei tumori alla protezione dei beni culturali

Dopo cinque anni di lavoro, ENSURE, un progetto ERC H2020 finanziato dalla Commissione europea, ha raggiunto il suo principale obiettivo: controllare e ottimizzare una tecnica non convenzionale di accelerazione di particelle irraggiando materiali nanostrutturati dalle proprietà innovative con impulsi laser superintensi e ultrabrevi.

I fasci di particelle ad alta energia vengono utilizzati per la ricerca fondamentale ma hanno anche diversi campi di applicazione: ad esempio vengono usati nelle terapie per la cura dei tumori, in alcune tecniche di medicina diagnostica o nella produzione di semiconduttori, come anche nell’ambito dei beni culturali, ad esempio per determinare la composizione di un quadro grazie all’analisi delle proprietà dei materiali utilizzati per la sua realizzazione. Fasci di particelle ad alta energia si ottengono all’interno di acceleratori che, tradizionalmente, presentano alcuni limiti legati ai costi e alle dimensioni che queste strutture richiedono.

Il team di ricerca di ENSURE, guidato dal prof. Matteo Passoni (professore ordinario in Fisica Teorica della Materia al Dipartimento di Energia), ha sviluppato un nuovo metodo di accelerazione di particelle che sfrutta l’interazione tra un impulso laser di elevatissima potenza e brevissima durata (fino a 1020 W/cm2 in poche decine di femtosecondi) e un particolare tipo di nanoschiuma, ideata e sviluppata dal team, con la proprietà di avere una densità intermedia tra quella di un solido e quella di un gas (ve lo abbiamo raccontato nel numero 5 del MAP, che potete leggere in fondo alla pagina).

L’approccio indagato da Passoni consentirà di realizzare acceleratori più compatti e flessibili, con ridotti costi di costruzione e radioprotezione. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in nel paper “Integrated quantitative PIXE analysis and EDX spectroscopy using a laser-driven particle source” sulla rivista Science Advances.

Oltre ai risultati di ricerca, ENSURE ha permesso di creare al Politecnico di Milano due nuovi laboratori che ospitano strumentazione scientifica all’avanguardia per la produzione dei materiali non convenzionali necessari per la fabbricazione dei bersagli irraggiati.

La ricerca sul processo di accelerazione che abbiamo investigato, sia dal punto visto teorico sia sperimentale, ha dato esiti positivi. Abbiamo prodotto materiali con proprietà peculiari, come schiume di carbonio nanostrutturato a bassissima densità, che possono rendere più efficiente il processo di accelerazione e abbiamo dimostrato che si possono migliorare i risultati puntando oltre che sul laser, anche sui materiali irraggiati, una direzione tecnologicamente meno onerosa e complessa. Inoltre, abbiamo avviato la sperimentazione di alcune importanti applicazioni, con risultati promettenti”, sottolinea Matteo Passoni. “Nel corso degli anni, una decina di giovani ricercatori italiani ha avuto l’opportunità di lavorare con me al Politecnico e l’attività di ricerca ha portato a collaborazioni importanti con eccellenti realtà industriali, di ricerca e accademiche, in ambito nazionale ed internazionale”.

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