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Usare il grafene come una lente d’ingrandimento sovralimentata

Le complesse interazioni tra il grafene e la luce sono state ora comprese molto meglio grazie al lavoro svolto nell’ambito del progetto GRASP. I risultati di questa ricerca, durata quattro anni, rappresentano le fondamenta per tecnologie future che sfruttano gli effetti ottici non lineari.
Usare il grafene come una lente d’ingrandimento sovralimentata
Oltre alla loro importanza nella comprensione della fisica fondamentale, gli effetti ottici non lineari sono anche un fattore chiave per importanti applicazioni come per esempio informatica quantistica, biomedicina o commutazione tutto ottica. Ma ci sono ancora molti ostacoli per riuscire a sfruttare il loro pieno potenziale, tra cui l’attivazione di effetti ottici non lineari a potenze ultra basse e su dispositivi nella stessa scala dei microprocessori.

«Questa è sicuramente una delle sfide in sospeso nel campo dell’ottica», afferma il professor Darrick Chang, responsabile del gruppo di Theoretical Quantum-Nano Photonics presso ICFO. «Per realizzare effetti ottici non lineari sono tipicamente necessari laser ad alte intensità, e il conseguente consumo energetico (o le dimensioni delle fonti di energia necessarie) spesso li rende poco pratici da realizzare su piccole scale, come ad esempio per i dispositivi portatili».

L’obiettivo finale sarebbe quello di vedere effetti non lineari al livello delle singole particelle quantistiche della luce, e vale veramente la pena perseguire questo obiettivo. In particolare questo consentirebbe le migliori prestazioni possibili e un ampio impiego di classici dispositivi non lineari, facilitando allo stesso tempo protocolli perturbatori di informazioni quantistiche che non possono essere realizzati su piattaforme classiche.

Il progetto GRASP è stato avviato nel 2014 pensando a questo obiettivo. «L’obiettivo del progetto era quello di esaminare se un materiale relativamente nuovo e insolito, ovvero il grafene, poteva consentire a impulsi di luce di interagire tra loro a una potenza molto più bassa», egli spiega. La strada del grafene è fondamentalmente nuova nell’ottica non lineare, ma il professor Chang e la sua squadra credevano che le eccezionali proprietà del materiale avrebbero permesso persino a singole particelle di luce di raggiungere le intensità richieste per attivare processi non lineari.

«Una delle eccezionali proprietà del grafene, che è stata sia prevista in teoria sia poi osservata sperimentalmente, era che potesse di fatto concentrare o limitare spazialmente la luce fino a scale di lunghezza estremamente piccole. Potremmo utilizzare l’analogia di una lente d’ingrandimento, che rende possibile concentrare la luce del sole in un piccolo punto, facendo diventare la luce abbastanza intensa persino da incendiare un pezzo di carta», spiega il professor Chang.

In questa analogia, il grafene potrebbe essere considerato come una lente d’ingrandimento sovralimentata. Esso può far entrare a forza la luce in uno spazio milioni di volte più piccolo di quanto potrebbero fare le migliori lenti d’ingrandimento in assoluto, e le risultanti intensità sarebbero abbastanza alte da attivare processi ottici non lineari.

Il progetto GRASP è riuscito a osservare per la prima volta degli effetti non lineari che avevano origine da questo effetto a lente d’ingrandimento. Questo è particolarmente degno di nota, considerando che il grafene è spesso un solo atomo, mentre i dispositivi ottici non lineari standard prevedono materiali molto spessi. Anche se l’obiettivo finale di sviluppare una generazione del tutto nuova di tecnologie basate su dispositivi ottici non lineari in grado di funzionare a potenze ultra basse è ancora molto lontano, il lavoro del consorzio rappresenta un passo importante in questa direzione.

«Sebbene occorra naturalmente lavorare ancora molto affinché il grafene diventi una tecnologia matura per l’ottica non lineare, abbiamo innalzato molti mattoni importanti che preparano il terreno per ulteriori lavori. Questo include l’aver visto per la prima volta effetti ottici non lineari nel grafene dovuti a un forte confinamento della luce, l’aver imparato a fabbricare grafene con una qualità più alta del materiale, l’aver costruito nuovi dispositivi che possono confinare campi non milioni, ma miliardi di volte migliori rispetto alle migliori lenti e l’aver ottenuto una migliore comprensione delle complesse interazioni tra grafene e luce», afferma il professor Chang.

Anche se è probabilmente troppo presto per fare ipotesi su delle strade concrete verso la commercializzazione, è adesso molto più plausibile l’uso del grafene per tecnologie ottiche non lineari quantiche e classiche, ampiamente impiegabili e nella stessa scala dei microprocessori. Il che spiega perché il professor Chang intenda proseguire il suo lavoro: «Dopo aver innalzato gli importanti mattoni necessari, il nostro obiettivo è quello di proseguire lungo questa entusiasmante linea di ricerca e di iniziare a mettere insieme questi mattoni fondamentali e realizzare dispositivi elementari ma reali nei prossimi anni», egli afferma.

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GRASP, grafene, luce, ottica, effetti ottici non lineari, tecnologia quantistica