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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Plasmonica e nano-antenne per luce visibile

La plasmonica rappresenta una delle discipline principali all'interno della cosiddetta nano-ottica, cioè dello studio dell'interazione tra la luce visibile e la materia nanostrutturata. Nanoparticelle di metalli nobili mostrano una risposta risonante all'illuminazione con luce visibile, grazie alle oscillazioni collettive del plasma di elettroni (plasmoni). L'energia di tali risonanze può essere largamente controllata variando la geometria delle singole nanoparticelle o l'accoppiamento tra nanoparticelle vicine, fornendo così uno strumento potentissimo per confinare campi molto intensi in volumi molto inferiori (anche diversi ordini di grandezza) rispetto ai limiti imposti dalla diffrazione. Oltre all'effetto delle risonanze plasmoniche localizzate sulle nanoparticelle, l'intensità dei campi locali può essere ulteriormente accresciuta sfruttando effetti legati a piccoli raggi di curvatura locale (effetto punta o parafulmine) o alla presenza di gap di pochi nanometri tra particelle adiacenti.

Nanoparticelle opportunamente ingegnerizzate trovano così applicazioni in numerosissimi campi di ricerca:

(i) gli spot locali rappresentano la configurazione ideale di campo per accoppiare luce visibile a singole molecole o nanocristalli, accrescendone così la cross section di assorbimento e migliorandone le proprietà di emissione;

(ii) il forte accrescimento di intensità locale promuove in maniera molto efficiente effetti nonlineari, quali la generazione di armoniche o la luminescenza multifotone;

(iii) la presenza di risonanze e la loro forte sensibilità all'ambiente dielettrico circostante fa di questi sistemi dei promettenti candidati per sensoristica integrata ad alta risoluzione.

 

Per la peculiarità della loro interazione con la radiazione elettromagnetica, le nanoparticelle plasmoniche possono essere anche descritte come nano-antenne per luce visibile. Una nano-antenna può essere considerata come una versione ridotta di un'antenna per onde radio. Le dimensioni devono essere di poche decine o centinaia di nanometri al fine di soddisfare condizioni di risonanza con la lunghezza d'onda della radiazione visibile.

 

Già nel 1959, nel suo famoso discorso "There's plenty of room at the bottom", Richard Feynman affrontava le sfide legate alla miniaturizzazione dei circuiti elettrici aggiungendo:

"...is it possible, for example, to emit light from a whole set of antennas, like we emit radio waves
from an organized set of antennas to beam the radio programs to Europe? The same thing
would be to beam the light out in a definite direction with very high intensity...
".

Sebbene questa affermazione fosse davanti agli occhi di tutti per decenni, solo con il recente sviluppo delle nanotecnologie - e della plasmonica in particolare - si è raggiunto un controllo tale dell'interazione tra la luce visibile e le nanostrutture da poter affermare che le nano-antenne per la luce siano oggi una realtà.

 

Il lavoro di tesi proposto, dal forte carattere sperimentale, riguarda la progettazione e l'analisi di nano-antenne specificamente progettate per ottimizzare una particolare funzionalità. La parte di progettazione si avvale di codici commerciali per la simulazione numerica delle proprietà ottiche di nanostrutture. La caratterizzazione sperimentale viene effettuata nel laboratorio SNOM del Dipartimento. Al momento, nello specifico, si studiano nano-antenne in grado di confinare la luce su scale nanometriche con particolari proprietà di polarizzazione e nano-antenne per sistemi di sensoristica su scala nanometrica basati sulla generazione di seconda armonica.

 

Immagine al microscopio elettronico (a) e al microscopio confocale (b) di nano-antenne a croce
progettate  per localizzare  luce  polarizzata circolarmente.  Quando le dimensioni  dell'antenna
sono  risonanti  con la  lunghezza d'onda  dell'illuminazione  (cerchio tratteggiato)  si evidenzia
un chiaro aumento di emissione.



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