I ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore hanno introdotto l’“accoppiamento supercritico”, un concetto pionieristico che migliora notevolmente l’efficienza di conversione dei fotoni. Sfruttando il fenomeno degli “stati legati in continuum” (BIC), il team ha aggirato i limiti tradizionali, consentendo alla luce di rimanere intrappolata a tempo indeterminato in strutture aperte. Questo progresso, che mostra un aumento di otto volte della luminescenza di conversione, ha profonde implicazioni per il controllo dell’emissione di luce su scala nanometrica, con un potenziale impatto sulla fotonica quantistica e su altri campi dei dispositivi fotonici. Questo lavoro, pubblicato su Nature, segnala un cambiamento di paradigma nella nanofotonica e apre nuove strade di ricerca.
Gli scienziati dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno introdotto un concetto pionieristico noto come “accoppiamento supercritico”, che migliora significativamente l’efficienza… Fotone com.upconversion. Questa innovazione non solo ribalta i paradigmi esistenti, ma apre anche una nuova direzione nel controllo delle emissioni luminose.
L’upconversion dei fotoni, il processo di conversione dei fotoni a bassa energia in fotoni ad alta energia, è una tecnologia critica con ampie applicazioni, che vanno dall’imaging ad ultra risoluzione ai dispositivi fotonici avanzati. Nonostante i progressi significativi, la ricerca di un'efficiente conversione dei fotoni ha dovuto affrontare sfide dovute a limitazioni intrinseche nell'irradiazione di nanoparticelle drogate con lantanidi e alle condizioni critiche di accoppiamento per la risonanza ottica.
Il concetto di “accoppiamento supercritico” svolge un ruolo fondamentale nell’affrontare queste sfide. Questo approccio fondamentalmente nuovo, proposto da un gruppo di ricerca guidato dal professor Liu Xiaogang del Dipartimento di Chimica dell'Università Nazionale di Singapore e dal suo collaboratore Dr. Gianluigi Zito del Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, sfrutta la fisica del “bound-in” -stati continui” (BIC). I BIC sono fenomeni che consentono alla luce di rimanere intrappolata in strutture aperte con durate teoricamente infinite, aggirando i limiti critici di accoppiamento. Questi fenomeni differiscono dal comportamento abituale della luce.
Nuovi approcci e verifica sperimentale
Manipolando l'interazione tra le modalità scure e luminose all'interno di queste strutture, in modo simile all'analogo classico della trasparenza indotta elettromagneticamente, i ricercatori non solo hanno migliorato il campo ottico locale, ma hanno anche controllato con precisione la direzione dell'emissione della luce.
I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista natura.
La figura mostra il principio dell'“accoppiamento supercritico” e l'emissione di conversione direzionale tramite accoppiamento BIC del bordo supercritico. Mostra il layout del nanofoglio di cristallo fotonico con la geometria della cella unitaria e dimostra la conversione parallela ottenuta attraverso l'accoppiamento supercritico sintonizzabile sui bordi. Credito: Natura
La verifica sperimentale dell'accoppiamento supercritico rappresenta un importante passo avanti, dimostrando un aumento di otto ordini di grandezza nella luminescenza di upconversion. La configurazione sperimentale include un nanofoglio di cristallo fotonico ricoperto di nanoparticelle commutabili. Queste nanoparticelle agiscono come sorgenti microscopiche e laser. Le proprietà uniche dei BIC, caratterizzate da una minuscola diffusione della luce e dalle dimensioni microscopiche dei punti luminosi, sono state sfruttate per ottenere una messa a fuoco precisa e un controllo direzionale della luce emessa. Ciò apre nuovi orizzonti per il controllo delle condizioni di luce.
Il professor Liu ha dichiarato: “Questa svolta non è solo una scoperta fondamentale, ma rappresenta un cambiamento di paradigma nel campo della nanofotonica, cambiando la nostra comprensione della manipolazione della luce in Scala nanometrica. Le implicazioni dell’accoppiamento supercritico si estendono oltre la conversione dei fotoni e offrono potenziali sviluppi nella fotonica quantistica e in vari sistemi basati su risonatori accoppiati.
Il professor Liu ha aggiunto: “Mentre la comunità di ricerca è alle prese con le implicazioni di questo lavoro, si apre la porta verso un futuro in cui la luce, uno degli elementi fondamentali del nostro mondo, potrà essere controllata con precisione ed efficienza senza pari”.
Riferimento: “Direttiva Giant Conversion via Supercritical Coupled States in the Continuum” di Chiara Chiattarella, Silvia Romano, Luigi Cirlito, Vito Musella, Ivo Rendina, Vitorino Lanzio, Fabrizio Reminucci, Adam Schwartzberg, Stefano Cabrini, Jiayi Chen, Liangliang, Xiaogang Liu e Gianluigi Zito, 21 febbraio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06967-9