Nano-ottica

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La nano-ottica è una branca dell'ingegneria ottica che studia l'ottica a livello nanometrico.

Le tecnologie della nano-ottica includono la SNOM (near-field scanning optical microscopy, in italiano Microscopia ottica a scansione in campo prossimo), il photoassisted scanning tunnelling microscopy (in italiano: il microsocpio a scansione tunnel foto assistita) e l'ottica plasmonica.

Introduzione[modifica | modifica sorgente]

La nanofotonica o nano-ottica è lo studio del comportamento della luce su scala nanometrica. È considerata come una branca dell'ingegneria ottica che si occupa di ottica o dell'interazione della luce con particelle o sostanze su scale di lunghezza di sub-lunghezza d'onda ( subwavelength). Le tecnologie nel dominio della nano-ottica comprendono la microscopia ottica a campo vicino (NSOM, near-field scanning optical microscopy), microscopia a effetto tunnel fotoassistito e ottica del plasmone di superficie. La microscopia tradizionale fa uso di elementi di diffrazione per focalizzare la luce al fine di aumentare strettamente la risoluzione. Ma a causa del limite di diffrazione (noto anche come criterio di Rayleigh), la luce che si propaga può essere concentrata in un punto con un diametro minimo di circa la metà della lunghezza d'onda della luce. Così, anche con la microscopia confocale limitata alla diffrazione, la risoluzione massima ottenibile è dell'ordine di un paio di centinaia di nanometri. Le comunità scientifiche e industriali sono sempre più interessate alla caratterizzazione dei materiali e dei fenomeni su scala di pochi nanometri, perciò devono essere utilizzate tecniche alternative. Il microscopio a scansione di sonda (SPM, Scanning Probe Microscopy) fa uso di una “sonda”, (Di solito un piccola apertura o una punta super-appuntita), che eccita un campione a livello locale o trasmette informazioni, sempre a livello locale, da un campione raccolto e analizzato. La capacità di fabbricare dispositivi su nanoscala, sviluppatasi di recente, ha fornito il catalizzatore per questo settore di studio.

Lo studio della nanofotonica coinvolge due grandi temi
   1) lo studio delle nuove proprietà della luce su scala nanometrica
   2) l'attivazione di efficienti dispositivi di grande potenza per applicazioni nel campo dell'ingegneria.

Lo studio ha il potenziale di rivoluzionare il settore delle telecomunicazioni, fornendo dispositivi liberi da interferenza, a bassa potenza, ad alta velocità, come gli interruttori elettro-ottici e interamente ottici implementati sui chip. [senza fonte]

Componenti di un sistema nanofotonico[modifica | modifica sorgente]

In dettaglio[modifica | modifica sorgente]

Il termine si riferisce di solito a fenomeni di luce nel campo dell'ultravioletto, del visibile e nel vicino IR, con una lunghezza d'onda che va da circa 300 a 1.200 nanometri.

L'interazione della luce con queste caratteristiche su nanoscala porta al confinamento del campo elettromagnetico nella superficie o punta della nanostruttura risultante in una regione denominata campo vicino ottico. Questo effetto è in qualche misura analogo a un parafulmine, dove il campo si concentra sulla punta. In questa regione, il campo potrebbe essere necessario per regolare la topografia della nanostruttura (vedi le condizioni de limite delle equazioni di Maxwell). Ciò significa che il campo elettromagnetico dipenderà dalla dimensione e dalla forma della nanostruttura con la quale la luce interagisce.

Questo campo vicino ottico può anche essere descritto come un'oscillazione ottico confinato alla superficie che può variare su una scala di lunghezza di decine o di centinaia di nanometri - una scala di lunghezza inferiore alla lunghezza d'onda della luce in entrata. Ciò può fornire maggiore risoluzione spaziale al di là dei limiti imposti dalla legge del diffrazione nella microscopia convenzionale a campo lontano. La tecnica derivata da questo effetto è nota come microscopia a campo vicino, e apre tante nuove possibilità per l'imaging e la spettroscopia su scala nanometrica. Una nuova incarnazione che ha una risoluzione picometrica nel piano verticale sopra la superficie della guida d'onda è l'interferometria a doppia polarizzazione.

Le nuove proprietà ottiche dei materiali possono derivare dalle loro dimensioni estremamente ridotte. Un esempio tipico di questo tipo di effetto è il cambiamento di colore associato all'oro colloidale.

Contrariamente all'oro in forma massiva (bulk), noto per il suo colore giallo, le particelle d'oro che vanno da 10 a 100 nm mostrano un colore rosso vivace. La dimensione critica dove questi effetti e quelli correlati hanno luogo sono relazionati al percorso libero del mezzo degli elettroni di conduzione del metallo.

Oltre a questi effetti della dimensione estrinseci che determinano la risposta ottica di un materiale alla luce in entrata, le proprietà intrinseche del materiale possono cambiare. Questi effetti della dimensione si verificano poiché le particelle diventano ancora più piccole. A questo punto alcune delle proprietà elettroniche intrinseche del mezzo stesso cambiano. Un esempio di questo fenomeno avviene nelle nanostrutture dei semiconduttori dove la piccola dimensione della particella confina la funzione d'onda della meccanica quantistica, portando a discrete transizioni ottiche, per es., ai colori a fluorescenza che dipendono dalle dimensioni della particella. Il cambiamento di banda proibita del semiconduttore è la ragione di questo cambiamento di colore. Questo effetto, tuttavia, poiché non direttamente correlato alla lunghezza d'onda ottica, non è unanimemente incluso quando si parla di nano-ottica.

Nel marzo del 2010, S. Assefa et al. dell'IBM mostrarono l'invenzione di fotorivelatori a valanga nanofotonica ultraveloci e privi di rumore che sono pronti per l'era del circuito ottico exaflop.[1][2][3] "Stiamo lavorando per integrare tutti i nostri dispositivi su un microprocessore a fianco di transistor.[4] Il conseguimento del fotorivelatore a valanga, che è l'ultimo di una serie di precedenti relazioni della ricerca dell'IBM, è l'ultima tessera del puzzle che completa lo sviluppo della “toolbox della nanofotonica” dei dispositivi necessari per costruire le interconnessioni (interconnects) sul chip.[2] Con le comunicazioni ottiche incorporate nei chip del processore, l'eventualità di costruire sistemi informatici di potenza ed alta efficienza con prestazioni a livello exaflop potrebbe avvenire in un futuro non molto lontano".[2]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) Solomon Assefa, Fengnian Xia; Yurii A. Vlasov, Reinventing germanium avalanche photodetector for nanophotonic on-chip optical interconnects in Nature, vol. 464, 2010, p. 80. DOI:10.1038/nature08813.
  2. ^ a b c (EN) Research Discovery By Ethiopian Scientist At IBM at Tadias Magazine, Tadias.com. URL consultato il 15-03-2010.
  3. ^ (EN) IBM Research | IBM Research | Silicon Integrated Nanophotonics, Domino.research.ibm.com, 04-03-2010. URL consultato il 15-03-2010.
  4. ^ Avalanche photodetector breaks speed record, physicsworld.com. URL consultato il 15-03-2010.

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

Riviste di fotonica[modifica | modifica sorgente]



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