Cos'è la plasmonica?

Negli ultimi decenni sono stati registrati progressi sostanziali nell'elettronica e nella fotonica, con conseguenti enormi miglioramenti nelle tecnologie di elaborazione dei dati che hanno migliorato notevolmente la nostra vita.

La plasmonica descrive la manipolazione su nanoscala (miliardesimo di metro) dei segnali ottici alle interfacce metallo-dielettrico. Ispirata dalla fotonica, la plasmonica sfrutta le proprietà distintive delle nanostrutture metalliche che consentono l'instradamento dei segnali luminosi a scale quasi atomiche.

L'integrazione di fotonica e componenti elettronici convenzionali con la plasmonica sullo stesso chip semiconduttore offre vantaggi significativi, consentendo di ottenere chip per computer superveloci e dispositivi di comunicazione ottica oltre a sensori e microscopi ultrasensibili.

Quando il professor Atwater del Caltech introdusse per la prima volta il concetto di plasmonica nel 2007, prevedeva che la tecnologia avrebbe generato una serie di applicazioni, dal biorilevamento ultrasensibile al mantello dell'invisibilità.

Qualunque sia l'applicazione, la plasmonica si basa sulla manipolazione delle interazioni tra campi elettromagnetici ed elettroni liberi nelle interfacce metallo-dielettrico; un dielettrico è un isolante (come il vetro o l'aria) che può essere polarizzato mediante l'applicazione di un campo elettrico. Gli elettroni liberi, che governano le proprietà elettriche e ottiche del metallo, oscillano in presenza di campi elettromagnetici (cioè luce), provocando un fenomeno chiamato plasmoni di superficie. 

Che cos'è la risonanza plasmonica di superficie?

Su scale nanometriche, gli elettroni liberi sono confinati in piccole regioni dello spazio, con conseguente limitazione della gamma di frequenze a cui vibrano. Mentre interagiscono con la luce, assorbono quella che corrisponde alle loro frequenze vibrazionali (riflettendo il resto della luce), il che significa che sono in risonanza, da cui il termine "risonanza plasmonica di superficie" (SPR). La SPR può essere sfruttata in nanobarre, nanofili, nanofotonica e altre forme di nanotecnologia.

Driver tecnologici della plasmonica

La nostra società basata sui dati ha fatto molta strada dai primi semiconduttori basati su chip, producendo processori sempre più piccoli e veloci. Ciononostante, le dimensioni sempre più ridotte di questi dispositivi hanno dato origine a proprie sfide, con limitazioni imposte da problemi termici e velocità di elaborazione.

Le interconnessioni ottiche, con la loro ampia larghezza di banda (capacità di trasporto dati), offrono una soluzione promettente. Tuttavia, il limite di diffrazione della luce gioca un ruolo importante nel limitare il ridimensionamento dei componenti fotonici, a circa la metà della lunghezza d'onda della luce. Pertanto, i dispositivi fotonici sono generalmente da uno a due ordini di grandezza più grandi rispetto alle loro controparti elettroniche.

Sono stati compiuti notevoli sforzi per sfruttare le proprietà uniche dei plasmoni di superficie per combinare l'efficienza dimensionale dell'elettronica con l'efficienza dei dati della fotonica.

Sfide della plasmonica

Poiché le perdite ohmiche attenuano la propagazione dei plasmoni di superficie solo dopo pochi millimetri di viaggio, le nanostrutture plasmoniche, costruite a partire da nanoparticelle plasmoniche come grafene, ossidi metallici e nitruri, sono oggetto di studio.

Il calore rappresenta un'altra sfida. Può influenzare la lunghezza e l'ampiezza di propagazione dei segnali plasmonici.

Nanostrutture metalliche e geometrie che mostrano la giusta combinazione di proprietà elettriche ed ottiche possono risolvere queste sfide. Questo perché le nanostrutture metalliche in rame, argento, alluminio, oro e altri materiali consentono la propagazione dei polaritoni plasmonici di superficie (SPP).

Gli SPP sono oscillazioni elettroniche risonanti che si propagano nelle interfacce metallo-dielettrico. Danno luogo a forti interazioni di materia leggera che possono migliorare gli effetti ottici deboli per le applicazioni optoelettroniche.

Guide d'onda plasmoniche

Gli SPP possono essere considerati come tipi speciali di onde luminose. Pertanto, le interconnessioni metalliche che supportano la propagazione di queste onde nelle interfacce metallo-dielettrico si comportano come guide d'onda ottiche o guide d'onda plasmoniche.

Gli SPP sono rappresentati da un vettore d'onda complesso. La parte immaginaria di questo vettore è inversamente proporzionale alla lunghezza di propagazione degli SPP, mentre la parte reale è proporzionale al confinamento.

L'integrazione pratica dei plasmoni di superficie nella progettazione dei circuiti dipende dal bilanciamento della relazione inversa tra lunghezza di propagazione e confinamento. Idealmente, le guide d'onda plasmoniche massimizzano il confinamento e la lunghezza di propagazione dei plasmoni di superficie per un effetto ottimale.

Le perdite per dissipazione che derivano naturalmente dalla propagazione dei polaritoni plasmonici di superficie possono essere contrastate con l'amplificazione del guadagno o integrando elementi fotonici come le fibre, dando luogo a guide d'onda plasmoniche ibride.

Le guide d'onda plasmoniche presentano modalità di lunghezza d'onda secondaria, inferiori al limite di diffrazione della luce. L'idea che le modalità di propagazione degli SPP a lunghezze d'onda inferiori alla luce siano possibili ha generato un'eccitazione enorme, aprendo la possibilità di dispositivi su scala chip in grado di elaborare informazioni su nanoscala a frequenze ottiche.

I tipi più comuni di guide d'onda plasmoniche includono: guide d'onda metallo-isolante-metallo (MIM), isolante-metallo-isolante (IMI), polaritone plasmonico a canale (CPP) e polaritone plasmonico con gap (GPP).

Un metamateriale è un materiale composito progettato per mostrare proprietà non visibili nei materiali costitutivi. I metamateriali derivano le loro proprietà dalle loro dimensioni, forme, geometrie e orientamenti unici che danno loro la capacità di piegare, bloccare, assorbire o migliorare le onde elettromagnetiche in modi nuovi e vantaggiosi. I metamateriali sono disposti in schemi ripetuti a lunghezze d'onda inferiori a quelle dei fenomeni che cercano di influenzare.

Nei metamateriali plasmonici, sono i plasmoni di superficie che conferiscono a questi materiali le loro proprietà uniche. In determinate condizioni, la luce incidente si accoppia con i plasmoni di superficie nelle interfacce metallo-dielettrico per formare onde elettromagnetiche autosostenibili e propaganti note come polaritoni plasmonici di superficie (SPP).

Questi SPP derivano le loro proprietà dalla struttura delle nanoparticelle metalliche sottostanti. Gli SPP mostrano caratteristiche regolabili a lunghezze d'onda più corte rispetto alla luce incidente. Esempi di metamateriali plasmonici includono nanoparticelle d'oro (nanocubi) e nanogusci d'argento e oro in configurazioni periodiche.

Poiché i metamateriali plasmonici derivano le loro proprietà dalla disposizione delle nanoparticelle metalliche su scale di lunghezza d'onda inferiori, gli ingegneri possono manipolare proprietà come dispersione, permittività, permeabilità e indice di rifrazione per ottenere una serie di nuove applicazioni.

Metamateriali plasmonici a indice negativo

Mentre la luce viaggia da un mezzo all'altro, ad esempio dall'aria all'acqua, si flette mentre attraversa la normale, essendo un piano perpendicolare alla superficie. Nei materiali a indice negativo, questa flessione si verifica nella direzione opposta, il che significa che l'energia elettromagnetica della luce viene trasportata in una direzione opposta alla propagazione del suo fronte d'onda. 

Poiché l'indice di rifrazione del materiale è legato alla sua permittività, che a sua volta influenza la sua lunghezza di propagazione elettromagnetica, i metamateriali a indice negativo offrono proprietà ottiche adattabili che vanno oltre le capacità di lenti, specchi e dispositivi ottici convenzionali.

Metamateriali plasmonici con indice di gradiente

I metamateriali plasmonici possono anche essere configurati in modo da mostrare indici di rifrazione variabili su tutte le loro lunghezze o superfici. Questi possono essere prodotti, ad esempio, depositando un polimero sintetico, come il PMMA, su una nanosuperficie dorata utilizzando la litografia a fascio di elettroni.

I metamateriali plasmonici con indice di gradiente sono stati utilizzati per realizzare lenti di Luneburg ed Eaton che interagiscono con i polaritoni plasmonici di superficie invece che con i tradizionali fotoni della luce.

Sono stati proposti anche metamateriali tridimensionali a indice negativo, potenzialmente prodotti tramite auto-assemblaggio, deposizione multistrato a film sottile e fresatura focalizzata a fascio ionico.

Metamateriali con pressione di radiazione negativa

La luce brillante sui materiali convenzionali, ossia la visualizzazione di un indice di rifrazione positivo, produce una pressione di radiazione positiva, il che significa che il materiale viene spinto via dalla sorgente luminosa. L'effetto opposto si verifica su un materiale a indice negativo, il che significa che il materiale viene attirato verso la sorgente luminosa.

Ciò potrebbe essere applicato, ad esempio, per aumentare l'efficienza del trasferimento di energia e l'assorbimento della luce nel funzionamento di sorgenti luminose e laser o per migliorare l'assorbimento della luce nelle celle solari a film sottile.

Metamateriali iperbolici

I metamateriali iperbolici si comportano come un metallo o un dielettrico a seconda della direzione del fascio luminoso. In questo caso, la relazione di dispersione del materiale forma un iperboloide, risultante (teoricamente) in lunghezze d'onda di propagazione infinitamente piccole.

Metasuperfici iperboliche sono state dimostrate su nanostrutture in argento e oro. Queste strutture presentano funzionalità avanzate (rifrazione negativa, assenza di diffrazione e altro ancora) per il rilevamento e l'imaging. In quanto tali, queste strutture offrono applicazioni promettenti nell'elaborazione quantistica delle informazioni all'interno di circuiti integrati ottici.

Inoltre, superlattici iperbolici possono formarsi dalla combinazione di strutture cristalline compatibile, come nitruro di titanio e nitruro di scandio e alluminio. A differenza dell'oro e dell'argento, questi materiali sono compatibili con i componenti CMOS esistenti e sono termicamente stabili a temperature più elevate. Poiché presentano densità fotoniche più elevate (rispetto all'oro o all'argento), sono anche efficienti assorbitori di luce.

I metamateriali iperbolici aprono possibilità come lenti planari che offrono capacità di rilevamento avanzate, imaging senza diffrazione, microscopi ottici ultrasensibili, nanorisonatori e altro ancora.

Nanostrutture risonanti

Le nanostrutture risonanti mostrano la resistenza richiesta dalle interazioni della materia leggera, elevata localizzazione delle interazioni elettromagnetiche e grandi sezioni trasversali per diffusione e assorbimento. Possono fungere da superlenti ad alta efficacia, concentratori di luce, nanorisonatori e guide a lunghezza d'onda ridotta.

La plasmonica si basa su processi ottici che avvengono nelle nanostrutture delle interfacce metallo-dielettrico. I polaritoni plasmonici di superficie sono onde elettromagnetiche altamente confinate a queste interfacce che derivano dalle interazioni di elettroni portanti liberi e fotoni.

Le proprietà adattabili degli SPP consentono il controllo su nanoscala delle interazioni tra luce e materia leggera, con formazione di un ponte tra dispositivi fotonici a diffrazione limitata ed elettronica su nanoscala per circuiti integrati di nuova generazione.

La generazione, l'amplificazione, l'elaborazione e l'instradamento di segnali ottici su scale nanometriche presentano numerose opportunità per applicazioni in campi diversi come le telecomunicazioni, la biochimica, l'immagazzinamento di energia e il rilevamento.

Di seguito sono riportati esempi di potenziali applicazioni di circuiti integrati plasmonici-elettronici-fotonici ibridi.

Sensori e biosensori

I materiali plasmonici che supportano la risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR) portano a forti miglioramenti del campo elettromagnetico locale, migliorando in modo significativo le applicazioni di spettroscopia e rilevamento.

Il trasferimento di energia a risonanza indotta dai plasmoni (PIRET), ad esempio, può essere impiegato per migliorare l'efficienza dei diodi a emissione luminosa (LED), nonché le prestazioni dei sensori a fluorescenza.

Una potente applicazione della plasmonica include sensori per il rilevamento di tracce minime di agenti biologici o chimici. In un caso, i ricercatori hanno rivestito un nanomateriale plasmonico con una sostanza facilmente legata a una tossina batterica. La presenza di questa tossina ha alterato la frequenza dei plasmoni di superficie e, di conseguenza, l'angolo della luce riflessa, un effetto che viene misurato con grande precisione, consentendo il rilevamento anche delle tracce più piccole.

Altre applicazioni della tecnologia plasmonica per il rilevamento includono la distinzione tra infezioni virali e batteriche e sensori interni per batterie per monitorare la velocità di carica e la densità di potenza.

Sensori a risonanza plasmonica di superficie (SPR)

I sensori SPR sostituiscono efficacemente le tecniche cromatografiche per il rilevamento di inquinanti ambientali. Il rilevamento SPR è risultato accurato quanto la cromatografia nel rilevamento del cloroprene, producendo al contempo risultati più rapidi.

Altrove, la tecnologia SPR in fibra ottica descrive l'uso di sensori SPR alle estremità delle fibre ottiche, facilitando l'accoppiamento della luce con i plasmoni di superficie. Ciò consente di utilizzare dispositivi di rilevamento compatti e ultrasensibili, particolarmente utili nelle applicazioni di telerilevamento.

Plasmonica del grafene

È stato dimostrato che la sovrapposizione di grafene su nanostrutture dorate migliora le prestazioni dei sensori SPR. Il basso indice di rifrazione del grafene riduce al minimo le interferenze mentre la sua ampia superficie facilita l'intrappolamento delle biomolecole.

Pertanto, incorporando grafene si espande la gamma di applicazioni dei sensori SPR. È stato inoltre dimostrato che il grafene migliora la resistenza dei sensori SPR alla ricottura ad alta temperatura durante la fabbricazione.

Fotovoltaico

Materiali plasmonici del gruppo oro, che includono oro, rame e argento, sono stati utilizzati nelle celle fotovoltaiche e solari. Questi materiali, che fungono da donatori di elettroni e lacune, svolgono un ruolo importante nell'alimentazione dei sensori intelligenti nelle reti IoT.

I nanomateriali plasmonici possono anche migliorare l'estrazione della luce dai LED, aumentando la loro luminosità ed efficienza e producendo display a LED a basso costo, flessibili e leggeri.

Computing ottico

Il computing ottico si propone di sfruttare l'elevata larghezza di banda dei segnali ottici sostituendo i dispositivi elettronici con dispositivi di elaborazione della luce.

Ad esempio, nel 2014, i ricercatori hanno prodotto un interruttore ottico a terahertz da 200 nm prodotto con materiali plasmonici a base di biossido di vanadio. Il biossido di vanadio mostra la capacità di passare da una fase metallica opaca a una fase semiconduttrice trasparente.

Le nanoparticelle di biossido di vanadio sono state depositate su un substrato di vetro e ricoperte di nanoparticelle d'oro che hanno agito come un fotocatodo plasmonico. Successivamente, sono stati applicati brevi impulsi laser, facendo saltare elettroni liberi dalle nanoparticelle d'oro sul materiale a base di biossido di vanadio, creando cambiamenti di fase di breve durata.

Gli interruttori al biossido di vanadio sono compatibili con i chip a base di silicio esistenti e funzionano nelle regioni del vicino infrarosso e del visibile dello spettro. La luce del vicino infrarosso è essenziale per le telecomunicazioni e le comunicazioni ottiche, mentre la luce visibile è essenziale per sensori e microscopi.

I metamateriali plasmonici possono anche aiutare l'archiviazione su memoria magnetica assistita termicamente su dischi, in cui la memoria viene aumentata riscaldando piccoli punti su un disco durante la scrittura.

Microscopia

Un'applicazione ovvia della plasmonica a lunghezza d'onda ridotta è l'applicazione alla microscopia oltre il limite di diffrazione della luce. Questo limite impedisce ai microscopi convenzionali (che mostrano un indice di rifrazione positivo) di risolvere oggetti di lunghezza d'onda inferiore a metà della lunghezza d'onda della luce.

Le lenti fabbricate con materiali plasmonici a indice negativo potrebbero aggirare il limite di diffrazione, producendo superlenti in grado di acquisire informazioni spaziali al di là della vista dei microscopi convenzionali, con applicazioni in interruttori ottici, fotorilevatori, modulatori ed emettitori di luce direzionali. 

Negli ultimi decenni l'industria dei semiconduttori ha compiuto enormi progressi nel ridurre i dispositivi elettronici a scale nanometriche. Tuttavia, i problemi di ritardo del segnale presentano sfide significative per ottenere circuiti a più di 10 GHz.

Mentre i dispositivi fotonici offrono una larghezza di banda enorme, la diffrazione limita le dimensioni dei componenti fotonici. La nanotecnologia plasmonica rappresenta il ponte tra il mondo su microscala (milionesimi di metro) della fotonica e il mondo su nanoscala (miliardesimi di metro) dell'elettronica.

Il futuro della plasmonica sembra brillante, con i ricercatori in grado di lavorare con nuovi metamateriali come il grafene. Finché le aziende saranno in grado di produrre dispositivi plasmonici robusti, affidabili e a prezzi ragionevoli, la nanotecnologia plasmonica sarà il perno di riferimento che fornirà una sinergia essenziale per la prossima generazione di schede a circuiti integrati a più di 10 GHz.

Il mercato dei materiali plasmonici varrà quasi 40 miliardi di dollari entro il 2031, da appena 11 miliardi di dollari nel 2023, con un tasso di crescita annuo di circa il 15,5%.

Per ulteriori informazioni sulle applicazioni della plasmonica, visita la nostra pagina dedicata alle applicazioni della plasmonica.

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