NOnlinear photonics with MEtal-less Nanoantennas and metasurfaces (NOMEN)

NOMEN affonda le sue radici nel concetto recentemente introdotto di ottica non lineare di secondo ordine potenziata in nanoantenne e metasuperfici prive di metallo. Negli ultimi tre anni si è assistito a una crescita significativa in questo settore di ricerca; tuttavia, il campo è ancora agli albori e si prevedono molti sviluppi interessanti.

Risultati impressionanti sono stati riportati nei nanoresonatori dielettrici isolati, con un aumento di diversi ordini di grandezza nell'efficienza della generazione di seconda armonica (SHG) rispetto alle nanoantenne plasmoniche. “Le metasuperfici non lineari stanno causando un cambiamento di paradigma nell'ottica non lineare”, poiché stanno per diventare la svolta tanto attesa nella ricerca di dispositivi fotonici non lineari miniaturizzati, robusti ed efficienti.

Il nostro obiettivo principale è dimostrare il controllo completo delle proprietà spaziali, di polarizzazione e di frequenza dei fotoni generati da processi non lineari di secondo ordine in metasuperfici interamente dielettriche. Verranno affrontati la generazione di frequenze di somma e differenza (SFG, DFG) e la conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC). Per affrontare questo entusiasmante campo di ricerca, progetteremo i campi vicini e lontani di nanoantenne dielettriche isolate e sfrutteremo gli effetti di coerenza e risonanza che si verificano in array planari periodici o quasi periodici opportunamente progettati, ovvero metasuperfici senza metallo e/o cristalli fotonici planari. Affronteremo le seguenti sfide cruciali:

Efficienza: i membri del team di questo consorzio sono stati i primi a dimostrare recentemente l'efficacia delle nanoantenne non lineari interamente dielettriche con efficienze SHG fino a ~10-4 per Al0,18Ga0,82As a un'intensità di pompaggio di 1 GW/cm2. L'enorme potenziale delle nanoantenne risonanti dielettriche nell'ottica non lineare è stato finora solo parzialmente svelato, come dimostrano i recenti risultati sulle modalità anapole e supercavità: chiaramente c'è ampio margine per ulteriori miglioramenti. Il processo DFG trarrà particolare beneficio da questa ottimizzazione. Sfruttando la corrispondenza matematica tra DFG e SFG, verrà misurata la distribuzione angolare del fascio di frequenza somma generato per definire la migliore geometria di eccitazione per massimizzare l'efficienza di conversione e ottenere DFG con guadagno.

Miglioramento risonante: i membri del team del consorzio sono stati tra i primi a dimostrare SHG e THG con una pompa cw a potenza ultra bassa (sub-mW) in nanocavità fotoniche in Si e GaN con fattori di qualità elevati, insieme al controllo efficiente del profilo elettromagnetico del campo lontano. Inoltre, sono stati i primi a dimostrare sorgenti di fotoni intrecciati mediante SPDC in risonatori al silicio ad alto Q. Il nostro obiettivo è applicare questi concetti per la realizzazione di una nuova generazione di metasuperfici per SHG e SPDC a basse potenze operative, sfruttando le forti non linearità dell'AlGaAs e la sua trasparenza alle lunghezze d'onda di 1550 nm e 775 nm.

Controllo completo del fascio: questa è una delle principali sfide della proposta: miriamo a progettare con cura la radiazione dell'emissione non lineare dalle nanoantenne dielettriche, ottimizzando le proprietà multipolari dei risonatori di Mie attraverso il processo di ottimizzazione recentemente dimostrato. Grazie a una progettazione adeguata delle nanoantenne e delle metasuperfici, intendiamo ottenere il controllo della polarizzazione e delle proprietà di formazione del fronte d'onda dei fasci ottici generati in modo non lineare.

Sintonizzabilità: attualmente stanno emergendo diverse tecnologie per fornire la modulazione della risposta delle metasuperfici utilizzando il controllo meccanico, elettrico o ottico. Recentemente abbiamo sviluppato un modello quantitativo per identificare e separare i tre processi fisici che governano i cambiamenti ultraveloci nelle particelle di silicio amorfo che presentano risonanze di tipo Mie, ovvero l'assorbimento a due fotoni, il rilassamento dei portatori liberi e il riscaldamento del reticolo. Sfruttando la risposta ottica su scala ps dei semiconduttori III-V, intendiamo ottenere una modulazione ottica ultraveloce ad alto contrasto dell'emissione non lineare con ritorno completo a zero al di sotto dei 10 ps.

I risultati scientifici del nostro progetto faranno progredire notevolmente le conoscenze sui processi di conversione di frequenza classici e quantistici guidati da non linearità di secondo ordine in metasuperfici interamente dielettriche, offrendo molte nuove opportunità in diversi rami della scienza. In particolare, fornirà una nuova classe di dispositivi compatti e leggeri a temperatura ambiente che generano fotoni intrecciati per le comunicazioni quantistiche