Luce e materia in dispositivi su nanoscala

L’interazione della luce o dei fotoni con la materia fornisce un’importante finestra sia sui comportamenti classici che in quelli quantistici dei materiali e apre le porte allo sviluppo di nuovi dispositivi. Gli scienziati finanziati dall’UE hanno dato il via al progetto UPNEX (“Ultrafast phenomena in nanoparticle excitations”) al fine di analizzare le oscillazioni collettive (plasmoni superficiali) negli elettroni liberi di un metallo nell’ordine dei 10 femtosecondi. Il team ha studiato la fotoemissione (l’emissione di elettroni da una superficie causata dall’incidenza di fotoni) ultraveloce con risoluzione spaziale e spettrale da campioni metallici nanostrutturati.

Il primo passaggio è stato la costruzione di uno spettrometro avanzato per l’imaging. Questo è stato utilizzato per analizzare la generazione di radiazione in terahertz (THz) sottoforma di fotoelettroni espulsi da nano particelle plasmoniche. I ricercatori hanno pubblicato importanti risultati, dimostrando la correlazione della risonanza plasmonica dei campioni nanostrutturati con il segnale THz da essi generato.

La chiarificazione di questi meccanismi ha aperto le porte allo sfruttamento nel campo delle fonti di THz integrate nella superficie e azionate da laser. Tali fonti potrebbero superare gli attuali limiti associati al danno in fonti di THz non lineari a base di cristalli e migliorare l’utilità negli esperimenti e nelle applicazioni di scienza dei materiali.

In altri esperimenti, gli scienziati hanno costruito una camera a vuoto nella quale è stato analizzato l’accoppiamento di due natotip opposti. I ricercatori sono riusciti a ridurre la distanza di accoppiamento a circa 100-150 nm. Il sistema è stato utilizzato per dimostrare un diodo con tubo a vuoto su nano scala costituito da due nanotip metallici come dispositivo elettronico ultraveloce che fa uso di elettroni emessi a impulso da fotoemissioni a ciclo breve. Un’ulteriore riduzione della distanza di accoppiamento consentirà un controllo direzionale ottico della corrente tra i nanotip, aprendo la strada a switch e dispositivi ultraveloci su nanoscala.

Un’ultima linea di ricerca ha analizzato le correnti indotte otticamente nella dielettrica e lo sviluppo di innovative fonti di luce. In particolare, basandosi su un articolo di recente pubblicazione nella prestigiosa rivista Nature, il team ha chiarito certi meccanismi di dipendenza dell’intervallo di gamma delle correnti indotte. I risultati hanno potenziali applicazioni nell’elettronica ancora più veloce dei petahertz (PHz, 10-18 Hz).

UPNEX ha promosso la carriera dei ricercatori associati, ha consolidato la collaborazione tra loro, e ha migliorato le capacità dei due laboratori coinvolti. Lungo il suo corso, ha fatto importanti nuove scoperte nel campo delle interazioni luce-materia a livello di nanoscala con applicazioni nei campi dell’optoelettronica su nanoscala e della nanoplasmonica.