Fotonica del disordine, nuove prospettive per l'ingegnerizzazione del trasporto della luce

Sfruttare il disordine per realizzare nuove applicazioni in fotonica. Ricercatori del LENS, Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare, e del Dipartimento di Fisica e Astronomia firmano l’articolo pubblicato sull’ultimo numero della rivista scientifica Nature Materials, dedicato in particolare alla strategia per controllare l’interazione radiazione fotonica - materia che è alla base di tutte le applicazioni della fotonica (Engineering of light confinement in strongly scattering disordered media, DOI: 10.1038/nmat3966).

I docenti Massimo Gurioli e Diederik Wiersma, nell’ambito delle attività del Laboratorio di Nanofotonica, in sinergia con la ricercatrice Francesca Intonti hanno sviluppato un progetto – ideato e sotto la responsabilità scientifica di Francesco Riboli (ora ricercatore presso l’Università di Trento) e in collaborazione con Niccolò Caselli - per plasmare e controllarele proprietà fotoniche di sistemi disordinati di arsenurio di gallio (in sigla GaAs, un composto semiconduttore), in un regime di lunghezze d’onda rilevante per le telecomunicazioni.

 Il progetto - specifica Gurioli, associato di Fisica della materia - sviluppato in collaborazione con il CNR e l’Università di Eindhoven, mira a definire una nuova strategia nel campo della fotonica in sistemi disordinati per mezzo della progettazione dei parametri strutturali del mezzo disordinato e attraverso il controllo selettivo delle proprietà degli stati di luce. Quest’ultimo controllo - spiega il docente - avviene in fase di post-fabbricazione grazie a innovative tecnologie di nano-ossidazione indotta da luce laser, recentemente sviluppate nel Laboratorio di Nanofotonica. Nel lavoro pubblicato si mostra che non solo è possibile modificare in maniera deterministica il confinamento spaziale della luce, ma anche realizzare un trasferimento di luce fra due siti spazialmente separati e precedentemente non collegati.  ”

“L’abilità nel variare il grado di confinamento ottico - spiega Wiersma, ordinario di Fisica della materia - può essere usata per controllare l’interazione radiazione-materia e per trasferire l’informazione, sia classica che quantistica, fra due siti adiacenti. Da un punto di vista pratico l’ingegnerizzazione di sistemi disordinati costituisce un nuovo e diverso approccio a molte possibili applicazioni dalla medicina, per mezzo di tecniche innovative di imaging in tessuti biologici, alle scienze naturali, con lo studio delle strategie di adattamento animale e vegetale legate alle mimesi attraverso colorazione strutturale, fino al miglioramento dell’efficienza delle attuali celle solari sfruttando il disordine per aumentare l’assorbimento della luce.”

“Abbiamo dimostrato che modi fotonici localizzati dal disordine strutturale – commenta Riboli – possono essere finemente modificati, sia cambiandone l’energia, sia la distribuzione spaziale del campo, variando il grado di isolamento ottico globale oppure locale del materiale. Tali risultati sono un passo importante nel campo dell’ottica dei sistemi disordinati, ponendo le basi per lo studio di nuovi fenomeni di trasporto di luce che si instaurano nel regime di localizzazione. Il sistema studiato è potenzialmente integrabile all’interno di celle solari, di sorgenti di luce LED e nei circuiti ottici integrati, per modificare rispettivamente l’assorbimento e l’emissione di luce, oppure la trasmissione di dati ottici. L’enorme potenziale della fotonica, inclusa quella dei sistemi disordinati, inizia solamente a manifestarsi e molteplici innovazioni sono previste nel prossimo futuro. Ad esempio, le comunicazioni entreranno nell’era dei terabit con un incredibile aumento della capacità di memoria e di trasmissione di dati, mentre le sorgenti a stato solido per l’illuminazione porteranno a un risparmio energetico di oltre il 50% rispetto alle attuali.”(sd)