I ricercatori del Centro di Ricerca sulle Tecnologie Emergenti XPANCEO, in collaborazione con il premio Nobel Prof. Konstantin Novoselov (Università di Manchester e Università Nazionale di Singapore), hanno scoperto un comportamento ottico insolito nel trisolfuro di arsenico (As₂S₃ un , ) semiconduttore cristallino di van der Waals. Le loro scoperte dimostrano che questo materiale può essere modificato in modo permanente dalla luce e persino modellato su scala nanometrica utilizzando una semplice luce a onda continua (CW). Questo approccio evita la necessità di costose lavorazioni in camera bianca o di avanzati sistemi laser a femtosecondi.
Un concetto chiave alla base di questa scoperta è l’indice di rifrazione, che descrive quanto un materiale devia o rallenta la luce. I materiali con indici di rifrazione più elevati sono più efficaci nel confinare e direzionare la luce all’interno dei dispositivi. In alcuni materiali, la luce può anche modificare questa proprietà. Questo effetto, noto come fotorefrattività, si verifica quando l’esposizione alla luce altera l’indice di rifrazione.
Nell’As₂S₃ cristallino , noti come questa risposta si verifica anche sotto luce ultravioletta a bassa intensità. Lo studio riporta una variazione eccezionalmente ampia dell’indice di rifrazione (fino a Δn ≈ 0,3), che supera i valori tipicamente osservati in materiali fotorefrattivi ben BaTiO₃ o LiNbO₃ .
Perché la forte fotorefrattività è importante per la tecnologia
I materiali che reagiscono fortemente alla luce in questo modo sono estremamente utili perché consentono di integrare direttamente le funzioni ottiche nel materiale stesso. Invece di affidarsi a molteplici fasi meccaniche o di produzione, la luce stessa può definire il modo in cui un dispositivo gestisce e dirige la luce.
Questa capacità è importante per molte tecnologie di uso quotidiano. Permette la creazione di minuscole strutture che guidano i segnali nei sistemi di telecomunicazione, consente la realizzazione di componenti ottici compatti utilizzati in sensori e dispositivi di imaging e permette la formazione di elementi simili a ologrammi utilizzati nell’autenticazione e nella sicurezza dei prodotti.
Modelli ottici su scala nanometrica e “impronte digitali ottiche”
Nell’As₂S₃ di motivi estremamente fini che rimangono incorporati nel materiale trasparente. Questi motivi agiscono come identificatori ottici unici , l’effetto è particolarmente potente su scale molto piccole. L’ampia variazione dell’indice di rifrazione consente la formazione , difficili da replicare, risultando utili per applicazioni anticontraffazione e di tracciabilità.
Per dimostrare questa precisione, i ricercatori hanno utilizzato un laser standard per creare un ritratto monocromatico microscopico di Albert Einstein su un sottile strato di materiale, con punti distanziati di soli 700 nanometri. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che la tecnica può raggiungere una risoluzione ancora più elevata (fino a circa 50.000 punti per pollice, che corrispondono a 500 nanometri tra i punti). I motivi risultanti mostrano un forte contrasto ottico grazie alle variazioni dell’indice di rifrazione indotte dalla luce, il che li rende facilmente rilevabili con metodi ottici.
Materiali attivati dalla luce e il futuro della fotonica
“La scoperta di nuovi materiali funzionali, in particolare all’interno dell’esclusiva famiglia dei cristalli di van der Waals, è il motore fondamentale per far progredire l’intero campo della fotonica. Lo sviluppo di dispositivi ottici sofisticati, come le lenti a contatto intelligenti di ultima generazione, è una sfida estremamente complessa che richiede solide basi nella scienza dei materiali. In questi sistemi, il materiale stesso è il componente chiave che determina ciò che è fisicamente possibile. Identificando cristalli naturali con questo livello di sensibilità, stiamo di fatto fornendo i mattoni essenziali per una nuova generazione di tecnologie che si basano interamente sulla luce anziché sull’elettricità”, ha affermato Valentyn Volkov, fondatore e direttore tecnologico del Centro di ricerca sulle tecnologie emergenti XPANCEO.
I cristalli espandibili consentono la creazione di nuovi dispositivi ottici
di creare pattern, l’As₂S₃ anche subisce Oltre alla possibilità cambiamenti fisici se esposto alla luce. Il materiale può espandersi fino al 5%, consentendo ai ricercatori di formare direttamente sulla sua superficie strutture ottiche come microlenti e reticoli di diffrazione. Queste caratteristiche sono importanti per la realizzazione di guide d’onda ad ampio campo visivo utilizzate negli occhiali per la realtà aumentata e nelle lenti a contatto intelligenti.
La reattività del materiale lo rende inoltre promettente per l’impiego in circuiti fotonici e sensori su scala nanometrica. Nel complesso, queste proprietà rappresentano un significativo passo avanti nel controllo e nella manipolazione della luce per le tecnologie di prossima generazione.
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