Che cos'è la nanofotonica

La nanofotonica (nota anche come nano-ottica) studia le interazioni tra luce e materia su scala nanometrica (miliardesimi di metri), avvalendosi di concetti di ottica, ingegneria ottica, ingegneria elettrica e nanotecnologie.

Fondamentalmente, queste interazioni si verificano a dimensioni inferiori alle lunghezze d'onda della luce, che tipicamente sono comprese fra 1 e 100 nanometri (nm), evidenziando proprietà ottiche uniche che non sono presenti alle scale superiori.

Pertanto, la nanofotonica include una gamma diversificata di interazioni fra radiazione e materia che si estendono ben oltre i limiti della diffrazione luminosa, applicate alle regioni del vicino infrarosso (IR), del visibile e dell'ultravioletto (UV) nello spettro elettromagnetico (300-1.200 nm), aprendo le porte a una serie di opportunità nel campo del light harvesting, delle tecnologie di visualizzazione, del rilevamento ottico, dell'ottica non lineare, della trasmissione dei dati e molto altro ancora.

Fisici, ingegneri e scienziati dei materiali che si impegnano per il progresso della nanofotonica si concentrano sulle interazioni tra luce e nanostrutture come nanoparticelle metalliche, nanotubi di carbonio, punti quantici dei semiconduttori, cristalli fotonici e tessuti organici (ad esempio il DNA), soprattutto nell'intento di sviluppare dispositivi nanofotonici per il controllo efficiente della luce.

Questo fenomeno non è certo una novità dell'era moderna, perché gli esseri umani cercano da secoli di manipolare le proprietà della luce. Ad esempio, i colori accordabili delle vetrate nelle chiese medievali si ottengono aggiungendo al vetro quelle che oggi sappiamo essere nanoparticelle metalliche.

Oggi gli esseri umani conoscono modi ingegnosi per controllare le caratteristiche della luce, come ampiezza, fase, polarizzazione e localizzazione, dando vita a opportunità interessanti nei campi dell'optoelettronica, della comunicazione ottica, dell'accumulo di energia solare e in altre aree di studio.

La nanofotonica, tuttavia, è emersa come disciplina distinta solo negli ultimi due decenni, in seguito al fortissimo interesse suscitato dello sviluppo di nuovi nanomateriali metallici, dielettrici e a semiconduttore.

Questi materiali sono particolarmente interessanti perché, combinati con i moderni strumenti di machine learning, simulazione e calcolo, possono essere assemblati in qualunque dimensione con precisione quasi atomica. Inoltre, poiché gli ingegneri possono utilizzare gli stessi metodi utilizzati per la produzione dei dispositivi a semiconduttore, il loro sfruttamento risulta estremamente conveniente.

La nanofotonica promuove pertanto l'innovazione, ad esempio in relazione a:

• Tecnologia a celle solari, che consente di fabbricare nanoparticelle metalliche in grado di assorbire in modo estremamente efficiente un'ampia gamma di frequenze dello spettro solare, migliorando l'efficienza di intrappolamento della luce e riducendo al contempo le dimensioni dei dispositivi.
• Tecnologia Metalens, che offre livelli senza precedenti di focalizzazione e polarizzazione della luce, consentendo anche di miniaturizzare i dispositivi, con applicazioni promettenti nel campo della spettroscopia e del rilevamento.
• Fotonica medica, che consente la modulazione ultraveloce della luce per il rilevamento, la prevenzione e il trattamento delle malattie, permettendo di formulare diagnosi e applicare terapie come modalità remote e non invasive.
• Calcolo ottico, che consente un'elaborazione ultraveloce delle informazioni riducendo il consumo di energia.

Nella trasmissione dei dati ad alta velocità, le attuali linee in rame mostrano una degradazione del segnale che aumenta all'aumentare della lunghezza del circuito.

Sfruttando l'elevata velocità operativa dei fotoni, paragonabile a quella degli elettroni ma con un consumo energetico molto inferiore, i circuiti basati su fotoni offrono un'alternativa promettente. Nei data center mission-critical, ad esempio, i circuiti fotonici promettono di ridurre le linee di trasmissione da centinaia di metri a pochi metri.

Oltre il limite di diffrazione, è possibile vincolare la luce a scale nanometriche usando nuovi approcci come  i polaritoni plasmonici di superficie (radiazioni elettromagnetiche vincolate) che si formano intorno alle superfici e alle strutture metalliche.

La nanofotonica si concentra in modo specifico sulle interazioni a livello di singolo fotone con le nanostrutture in cui si verificano effetti di miglioramento del campo, quando la radiazione elettromagnetica è confinata in dimensioni nanometriche. Queste interazioni danno luogo a nuovi fenomeni ottici che possono essere utilizzati per modellare dispositivi capaci di commutare, immagazzinare e trasmettere la luce su scala nanometrica, mostrando caratteristiche superiori che vanno ben oltre i limiti imposti dalla meccanica classica.

Tuttavia, la manipolazione delle interazioni fra materia e luce su scala nanometrica presenta difficoltà notevoli, che limitano le possibilità di sviluppare nuovi materiali, strutture e processi.

La localizzazione dell'energia e le interazioni non lineari sono principi chiave che influenzano la generazione della luce su scala nanometrica, ad esempio i processi di emissione spontanea come fotoluminescenza, elettroluminescenza, fluorescenza e diffusione Raman.

I risonatori ottici amplificano queste interazioni attraverso il miglioramento del campo elettromagnetico. In particolare, le nanocavità plasmoniche forniscono risonatori efficienti per lo sviluppo di tecnologie di rilevamento basate sulle emissioni. Nelle applicazioni ottiche non lineari, i metalli massivi che presentano una scarsa reattività non lineare devono essere sottoposti a eccitazioni intensive, tramite l'applicazione di pompe o laser, per aumentare la non linearità.

Per controllare l'intensità delle radiazioni, è possibile utilizzare cavità fotoniche integrate che incrementano la presenza delle pompe. In alternativa, è possibile implementare nanostrutture plasmoniche per ottenere densità di energia altamente localizzate. I plasmoni di superficie quasi 2D consentono di migliorare e localizzare notevolmente l'intensità del campo (oltre 10⁷ entro un confinamento di 20 nm), permettendo la generazione di seconda armonica (SHG), teoricamente applicabile al rilevamento e all'imaging ad alta risoluzione.

Lo studio delle nanostrutture fotoniche costituisce la forza motrice dello sviluppo della nanofotonica, fornendo la base per le applicazioni in nanomedicina, diagnostica ottica, telerilevamento, biotecnologie, biomateriali e celle solari.

Metodi di confinamento utilizzati nella nanofotonica

I ricercatori possono scegliere fra tre modi per confinare le interazioni tra luce e materia alla scala nanometrica:

1. Confinamento della luce molto al di sotto del limite di diffrazione della luce
2. Confinamento della materia
3. Confinamento tramite fotochimica o transizione di fase fotoindotta (PIPT, PhotoInduced Phase Transition)

Per quanto riguarda la materia, vengono utilizzati diversi metodi che determinano la creazione di strutture esotiche come i nanomeri (oligomeri di dimensioni nanometriche con proprietà ottiche che dipendono dalle dimensioni) e nanoparticelle con proprietà elettroniche e fotoniche uniche.

Nel caso della plasmonica, le nanoparticelle metalliche presentano un campo elettromagnetico migliorato che mostra proprietà uniche, ad esempio, assorbendo due fotoni dell'infrarosso e convertendoli in un fotone ultravioletto visibile.

Altrove, i cristalli fotonici sono strutture dielettriche ripetute periodicamente a una lunghezza nell'ordine della lunghezza d'onda della luce. Inoltre, i nanocompositi sono formati da domini di materiali diversi con isolamento di fase e vengono utilizzati nelle comunicazioni ottiche.

Effetti di confinamento utilizzato nella nanofotonica

I ricercatori utilizzano varie geometrie di confinamento, tra cui:

• Localizzazione assiale, che si basa sulla formazione di onde evanescenti e sulle loro interazioni con i plasmoni di superficie
• Localizzazione laterale, in cui un campione viene collocato entro una frazione della lunghezza d'onda della luce incidente emessa da una sorgente luminosa

Onde evanescenti utilizzate nella nanofotonica

Le onde evanescenti sono campi elettrici o magnetici oscillanti che non si propagano come le onde elettromagnetiche convenzionali, ma concentrano l'energia vicino alla loro fonte, senza contribuire alla sua propagazione in alcuna direzione.

Le onde evanescenti si formano quando la luce subisce una riflessione interna totale su un'interfaccia tra due supporti con indici di rifrazione diversi (ad esempio, un'interfaccia prisma-campione).

I prismi vengono solitamente utilizzati per generare onde evanescenti che interagiscono con i campioni per consentire le misurazioni. È interessante notare che, in determinate circostanze, un campo elettromagnetico può anche disgregarsi in componenti evanescenti e propaganti.

Le onde evanescenti offrono il vantaggio di facilitare le interazioni ottiche su scala nanometrica, specialmente nel caso dei sensori, consentendo ad esempio il rilevamento di sorgenti di fluorescenza in campo vicino.

Sono state proposte guide d'onda accoppiate a onde evanescenti anche per applicazioni di rilevamento che comportano il trasferimento di energia tra i vari canali della guida d'onda. Queste guide d'onda possono essere utilizzate anche come accoppiatori direzionali di onde nelle reti di comunicazione ottiche.

Uso della risonanza plasmonica di superficie (SPR) nella nanofotonica

I plasmoni di superficie (SP, Surface Plasmon) sono oscillazioni collettive di elettroni liberi sulle superfici metalliche. La risonanza si verifica quando il momento della luce incidente corrisponde a quello dei plasmoni di superficie. Nella risonanza plasmonica di superficie (SPR, Surface Plasmon Resonance), le onde evanescenti si formano e si accoppiano ai plasmoni di superficie nelle interfacce metallo-dielettrico, migliorando notevolmente le interazioni fra luce e materia.

Per ottenere la riflessione totale interna della luce si utilizza una guida d'onda (in genere un sottile film metallico su un substrato dielettrico) anziché un prisma. Il metodo preferenziale per la generazione delle onde SP è costituito dalla riflettanza totale attenuata (ATR, Attenuated Absolute Reflection).

I polaritoni plasmonici di superficie (SPP, Surface Plasmon Polariton) si formano quando la luce stabilisce un accoppiamento forte con gli SP, propagandosi lungo un'interfaccia metallo-dielettrico. La preferenza è dovuta alla loro capacità di confinare i campi elettromagnetici in dimensioni notevolmente più piccole delle lunghezze d'onda della luce nello spazio libero.

Ottica metallica in nanofotonica

Sorprendentemente, i metalli forniscono un modo efficace per confinare la luce al di sotto del limite di diffrazione, perché presentano una notevole permittività negativa alle frequenze ottiche nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso.

La permittività (nota anche come costante dielettrica) dipende dalla frequenza. Alle frequenze che si avvicinano e superano la frequenza del plasma (che si trova nella gamma degli ultravioletti) diminuisce fino a diventare negativa, perdendo la capacità di supportare i plasmoni superficiali.

I metalli vengono normalmente impiegati nell'ingegneria delle radioonde e delle microonde, in cui si utilizzando antenne e guide d'onda metalliche con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda (centinaia di volte più piccole della lunghezza d'onda nello spazio libero) per catturare efficacemente la radiazione elettromagnetica. Seguendo principi simili, è possibile confinare la luce anche a lunghezze nanometriche, applicando strutture metalliche con dimensioni nanometriche come nanoantenne, nanofili e nanobarre.

Infatti, molti progetti di nano-ottica sono simili ai circuiti a microonde o radioonde, poiché impiegano tecniche di progettazione simili, come elementi di circuito a costante concentrata (ad esempio induttanza e capacità), guide d'onda metalliche con piastre parallele (stripline) e adattamento dell'impedenza delle antenne a dipolo alle linee di trasmissione.

Tuttavia, i circuiti nano-ottici presentano anche alcune differenze importanti, rispetto a quelli a microonde: Su scala nanometrica (e alle frequenze ottiche), i metalli smettono di comportarsi come conduttori ideali, mostrando anche molte proprietà interessanti come la risonanza plasmonica superficiale e l'induttanza cinetica. Inoltre, su scala nanometrica, i campi elettromagnetici interagiscono con i semiconduttori in modi completamente diversi.

Ottica non lineare in nanofotonica

Mentre si propaga attraverso un mezzo non lineare, in cui la polarizzazione dielettrica risponde in modo non lineare ai campi elettrici, la luce genera effetti ottici insoliti provocando fenomeni che non vengono osservati in condizioni normali. Gli effetti ottici non lineari possono essere indotti introducendo metamateriali metallici, nell'intento di ridurre le dimensioni dei componenti e accelerare l'elaborazione del segnale.

In particolare, quando le intensità di campo sono molto elevate (come nel caso dei laser), gli effetti ottici non lineari diventano significativi e consentono di ottenere nuove funzionalità con applicazioni importanti per la nanofotonica, tra cui:

• Conversione di frequenza: si verifica quando i processi ottici non lineari, come la generazione di seconda armonica, l'oscillazione parametrica ottica, la coniugazione di fase ottica e la miscelazione a quattro onde consentono di generare nuove frequenze di luce, utili per il rilevamento e l'imaging ad alta risoluzione.
• Processi multifotoni: processi multifotoni non lineari consentono di utilizzare nuovi metodi per controllare le interazioni tra luce e materia.
• Elaborazione ultraveloce: gli effetti ottici non lineari si verificano su scale temporali ultraveloci, consentendo la modulazione e la commutazione della luce ad alta velocità.
• Miniaturizzazione dei dispositivi: la fotonica non lineare facilita la miniaturizzazione dei dispositivi, fondamentale per i progressi delle funzionalità on-chip.
• Nuovi materiali: la ricerca dei miglioramenti non lineari ha condotto alla scoperta di nuovi materiali, tra cui vetri, cristalli, semiconduttori e, di recente, materiali nanostrutturati. Anche i metamateriali completamente dielettrici stanno generando interesse, mostrando perdite inferiori rispetto alle loro controparti metalliche.
• Emettitori quantistici: tra gli emettitori quantistici (come i punti quantistici) e le guide d'onda nanofotoniche si verificano interazioni non lineari che producono nuovi effetti nanofotonici quantistici, con applicazioni nelle tecnologie quantistiche emergenti.

Avendo imparato a controllare il flusso, la fase, l'ampiezza e la polarizzazione della luce a dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda, i ricercatori sono in grado di diffondere, rifrangere, confinare e filtrare la luce con nuove modalità affascinanti. Questo dà vita a nuove opportunità per i circuiti integrati, il calcolo ottico, la biochimica, la medicina, la tecnologia delle celle a combustibile, la tecnologia delle celle solari e molto altro ancora.

Di seguito è riportato un riepilogo delle principali applicazioni nella nanofotonica.

Nanolaser

Nelle interfacce metallo-dielettrico, i polaritoni plasmonici di superficie possono essere utilizzati per vincolare i laser a scale con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda. Il nanolasing si ottiene invertendo la popolazione di emettitori, come i punti quantistici e i fluorofori combinati con il feedback generato dalle strutture plasmoniche risonanti.

I nanolaser mostrano una vasta gamma di proprietà utili nella comunicazione ottica, come la modulazione rapida (che migliora la trasmissione dei dati) e la bassa corrente di soglia (che migliora l'efficienza energetica).

Gli sparser (amplificazione dei plasmoni di superficie mediante emissione stimolata di radiazioni) sono la versione laser dei plasmoni di superficie (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni), che comporta l'amplificazione dei plasmoni di superficie localizzati (LSP, Localized Surface Plasmon) oscillanti all'interno di nanoparticelle metalliche.

I ricercatori si interessano ai nanolaser e agli amplificatori dei plasmoni di superficie perché consentono un'emissione stimolata coerente fino al limite di diffrazione e oltre, con applicazioni sia nel campo del rilevamento e dell'imaging ad alta risoluzione che in quello dell'elaborazione ottica ed elettronica dei dati.

Fotorilevatori

I fotorilevatori svolgono un ruolo chiave nei circuiti sia optoelettronici che microelettronici, grazie alla loro capacità di rilevare e convertire la luce in segnali elettrici, dando vita a un'ampia gamma di applicazioni per i dispositivi, tra cui:

• Rivelatori SPAD (Single Photon Avalanche Detector) in grado di rilevare segnali a bassa intensità, fino ai singoli fotoni (con risoluzione spazio-temporale elevata), che vengono utilizzati ad esempio nei sistemi LIDAR, nell'imaging 3D e nella scansione PET.
• Dispositivi di comunicazione a fibre ottiche, come i diodi InGaAs (Indio-Gallio-Arseniuro), che sono in grado di rilevare i segnali a infrarossi ad alta velocità trasmessi tramite fibre ottiche, consentendo velocità di comunicazione dati fino a 2,5 Gigabit al secondo.
• Dispositivi di rete ottici, come rilevatori del vicino infrarosso integrati con guide d'onda.
• Strumenti di telerilevamento, che vengono utilizzati in astronomia per rilevare un'ampia gamma di lunghezze d'onda, al lontano infrarosso ai raggi gamma
• Dispositivi di monitoraggio ambientale, che vengono utilizzati per rilevare tracce di agenti chimici e biologici.
• Celle fotovoltaiche, che convertono la luce solare in energia elettrica.
• Sensori CCD (Charge-Coupled Device) e CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), che vengono utilizzati nelle videocamere digitali e in altri dispositivi di imaging
• Sistemi di controllo degli accessi per gli edifici.

Commutazione completamente ottica

Nei metamateriali plasmonici, la sintonizzazione delle risonanze plasmoniche dei singoli componenti nei circuiti integrati (e del relativo accoppiamento elettromagnetico) può consentire la commutazione completamente ottica. Le risonanze e gli accoppiamenti plasmonici possono essere regolati alterando gli indici di rifrazione del materiale dielettrico o del substrato in cui è incorporato, migliorando le risposte non lineari. Il controllo del potere legante degli eccitoni molecolari e delle eccitazioni plasmoniche determina una modulazione completamente ottica efficace.

Memorizzazione dei dati

Nella memorizzazione ottica dei dati, è possibile utilizzare strutture ottiche in campo vicino con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda, incorporate nel, o separate dal, supporto di memorizzazione, per ottenere densità di registrazione ottica notevolmente al di sotto del limite di diffrazione.

Nella registrazione magnetica termoassistita, un laser riscalda un'area con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda del materiale magnetico prima di codificare i dati, aumentando così la quantità dei dati memorizzati per unità di area. La testina di scrittura magnetica incorpora anche componenti ottici in metallo che concentrano la luce.

Fotonica del silicio

La fotonica del silicio prevede l'uso di dispositivi optoelettronici su scala nanometrica incorporati in substrati di silicio capaci di dirigere sia la luce che gli elettroni, consentendo l'accoppiamento di funzionalità ottiche ed elettroniche in un singolo dispositivo on-chip. La fotonica del silicio promuove l'innovazione nel campo delle guide d'onda e degli interconnettori ottici, degli amplificatori ottici, dei modulatori di luce, dei fotorilevatori, degli elementi di memoria, dei cristalli fotonici e molto altro ancora.

Circuiti integrati

I produttori utilizzano la fotolitografia per fabbricare circuiti integrati, come microprocessori e chip di memoria. Durante la fotolitografia vengono utilizzati vari tipi di luce, tra cui ultravioletti, ultravioletti estremi e raggi X, per trasferire pattern geometrici con dimensioni nanometriche da una fotomaschera a un materiale fotosensibile denominato fotoresist (un materiale fotosensibile applicato a un substrato, solitamente costituito da un wafer di silicio).

Inoltre, la miniaturizzazione dei componenti elettronici (come i transistor) all'interno dei circuiti integrati è fondamentale per migliorare la velocità e la convenienza economica. Tuttavia nei circuiti optoelettronici la comunicazione on-chip comporta il trasferimento di segnali ottici da una parte all'altra del chip con l'aiuto di guide d'onda, e questo è possibile solo se anche i componenti ottici sono miniaturizzati.

Biosensori

I biosensori nanofotonici sono fra sistemi di rilevamento più affidabili e accurati attualmente disponibili. Questi biosensori incorporano trasduttori ottici e recettori. I recettori rispondono alle variazioni fisiche e chimiche del trasduttore, determinando variazioni di assorbimento, riflessione, rifrazione, fluorescenza, fase e frequenza nei segnali luminosi.

Questi dispositivi autonomi sono in grado di rilevare quantità minime di molecole (o analiti) con l'aiuto di componenti di bioriconoscimento, come DNA, anticorpi o enzimi. Queste interazioni determinano un'alterazione delle proprietà ottiche del trasduttore, che possono essere correlate alle concentrazioni dell'analita.

I biosensori ottici si basano su campi evanescenti, integrando fotonica del silicio e nanoplasmonica. Nei biosensori basati su SPR e guide d'onda dielettriche, il periodo di decadimento del campo evanescente è notevolmente più lungo, rispetto alla maggior parte degli analiti biomolecolari (nell'ordine di 200-400 nm).

I biosensori ottici forniscono un metodo non invasivo e affidabile per il rilevamento degli agenti biochimici, basandosi sulle interazioni in tempo reale a livello di superficie del sensore senza richiedere l'applicazione di etichette o coloranti.

Metasuperfici

Allo scopo di migliorare il campo non lineare vengono utilizzate le metasuperfici, nanosuperfici progettate artificialmente e formate da nanostrutture con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda, come nanobarre e nanofori che diffondono la luce. Questi elementi consentono di controllare con precisione la fase, l'ampiezza e la polarizzazione della luce su scala nanometrica, ad esempio consentendo la formazione di:

• Superlenti formate da metasuperfici caratterizzate da permittività e permeabilità negative (indice di rifrazione negativo), in grado di focalizzare la luce oltre il limite di diffrazione, che risultano particolarmente utili in microscopia.
• Mezzi per la compensazione della fase, che combinano mezzi doppio negativi con materiali a indice positivo.
• Superfici nascoste formate da metasuperfici con indice di rifrazione quasi nullo, in cui la permittività o permeabilità relativa è prossima allo zero.

La nanofotonica promette moltissimo per la ricerca di tecnologie compatte ed efficienti dal punto di vista energetico, in grado di offrire funzionalità multimodali su scala sempre più ridotta.

I dispositivi fotonici, come i cavi in fibra ottica, trasmettono grandi quantità di dati, ma sono limitati dal fatto che hanno dimensioni superiori a quelle dei dispositivi elettronici. Il prossimo obiettivo consiste nel coniugare le notevoli capacità di trasporto dei dati offerte dalla fotonica con le capacità di elaborazione rapida dei segnali garantite dall'elettronica.

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Inoltre, il software FDTD si integra perfettamente con il software Ansys Lumerical CML Compiler^TM, i solver multifisici Ansys, il software Ansys Speos®, il software Ansys Zemax OpticStudio^TM e il software EPDA (Electronic-Photonic Design Automation) di terze parti, assicurando una progettazione fotonica rapida, accurata e scalabile.

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