Dispositivo fotonico Harvard controlla dinamicamente la chiralità ottica della luce con cristalli fotonici attorcigliati e tecnologia MEMS, aprendo nuove frontiere in nanofotonica, sensing chirale e comunicazioni ottiche avanzate
Un semplice twist che trasforma la luce come mai prima.
I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) (1) hanno creato un dispositivo in scala chip in grado di controllare dinamicamente la “manualità” della luce mentre la attraversa - nota anche come chiralità ottica – tramite una semplice rotazione di due cristalli fotonici appositamente progettati.
Il lavoro, guidato dallo studente di dottorato Fan Du nel laboratorio di Eric Mazur (2), Balkanski Professor of Physics and Applied Physics, descrive un cristallo fotonico bi-strato attorcigliato e riconfigurabile, che può essere regolato in tempo reale utilizzando un sistema micro-elettromeccanico (MEMS) integrato. Questa innovazione apre nuove possibilità per il sensing chirale avanzato, la comunicazione ottica e la fotonica quantistica.
«La chiralità è molto importante in molti campi della scienza – dalla farmaceutica alla chimica, alla biologia e, naturalmente, alla fisica e alla fotonica», ha dichiarato Mazur. «Integrando cristalli fotonici attorcigliati con i MEMS, disponiamo di una piattaforma non solo potente dal punto di vista fisico, ma anche compatibile con il modo in cui la fotonica moderna viene prodotta».
I cristalli fotonici sono materiali nanofabbricati che possono stare sulla punta di uno spillo e vengono utilizzati per manipolare la luce a lunghezze d’onda su scala nanometrica, un elemento importante in molti componenti ottici odierni per il calcolo, il sensing e le comunicazioni ad alta velocità. Il laboratorio di Mazur sta spingendo l’ingegneria dei cristalli fotonici in un nuovo territorio prendendo in prestito principi dalla twistronics, resa famosa dalla scoperta del grafene bi-strato attorcigliato. Negli ultimi anni, il team di Mazur ha aperto la strada ai cristalli fotonici bi-strato attorcigliati impilando due membrane modellate di nitruro di silicio e ruotandole per ottenere nuove proprietà.
Cristalli fotonici contorti
Nel loro nuovo lavoro pubblicato su Optica (3), mostrano che un cristallo fotonico bi‑strato attorcigliato è una piattaforma potente per controllare la chiralità della luce, perché la torsione introduce naturalmente un’asimmetria intrinseca sinistra–destra nel dispositivo. La chiralità descrive oggetti che non possono essere sovrapposti alla loro immagine speculare, come le mani destra e sinistra. In ottica, la chiralità si manifesta sia nei materiali e nelle strutture chirali, sia nella luce chirale, in cui la luce traccia un’elica in una direzione particolare mentre si propaga. La luce chirale può ruotare in senso orario - mostrando polarizzazione circolare destra - oppure in senso antiorario - mostrando polarizzazione circolare sinistra.
Queste differenze nel modo in cui la luce viaggia sono minuscole, ma importanti. Per esempio, i chimici organici devono essere in grado di distinguere tra molecole farmaceutiche speculari che sono chimicamente identiche ma hanno effetti diversi nel corpo. Tra gli esempi più noti c’è la talidomide, un farmaco degli anni ’50 la cui struttura molecolare destrorsa era un trattamento per la nausea mattutina nelle donne incinte, mentre la sua immagine speculare sinistrorsa causava difetti alla nascita.
La luce chirale viene utilizzata per sondare strutture chirali, tipicamente mediante l’uso di ottiche di polarizzazione convenzionali come piastre d’onda e polarizzatori lineari. Questi elementi sono statici e possono rilevare solo un intervallo limitato di polarizzazioni.
Proprietà regolabili
Al contrario, il nuovo dispositivo dei ricercatori di Harvard è elegantemente progettato per essere regolabile - cioè, la risposta del dispositivo ai diversi tipi di luce chirale può essere aumentata o diminuita senza sostituire alcuna componente. Il segreto è il design bi‑strato: quando i due cristalli fotonici vengono avvicinati e attorcigliati, la struttura combinata diventa geometricamente chirale e capace di “leggere” la luce chirale. Un forte accoppiamento tra le modalità ottiche degli strati porta a trasmissioni drasticamente diverse per la luce polarizzata circolarmente a destra o a sinistra in condizioni di “incidenza normale”, cioè luce polarizzata che colpisce perpendicolarmente la superficie.
Utilizzando il dispositivo MEMS per variare continuamente l’angolo di torsione e la distanza tra gli strati, il team ha dimostrato di poter regolare la capacità intrinseca del dispositivo di leggere diverse modalità di luce chirale che si avvicinano agli estremi teorici di selettività perfetta nel distinguere la “manualità” della luce.
L’articolo fornisce un quadro generale di progettazione per cristalli bi‑strato attorcigliati che mostrano chiralità ottica. Sebbene attualmente sia una prova di concetto, la ricerca potrebbe aprire la strada a future applicazioni nel sensing chirale, in cui i dispositivi vengono regolati per sondare diverse molecole chirali a differenti lunghezze d’onda, oppure in modulatori di luce dinamici per le comunicazioni ottiche, consentendo un controllo della luce direttamente sul chip.
Riferimenti:
(1) Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
(2) Eric Mazur
(3) Dynamic control of intrinsic optical chirality via MEMS-integrated photonic crystals
Descrizione foto: Illustrazione schematica dei cristalli fotonici a doppio strato ritorti integrati nel MEMS illuminati da raggi polarizzati circolarmente destrorsi e polarizzati circolarmente mancini. - Credit: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A Dynamic Twist of Light’s ‘Handedness’