Con il presente progetto si propone lo studio teorico e sperimentale del controllo della frequenza e della direzione di propagazione di polaritoni fononici di superficie supportati da MoO3 negli intervalli di lunghezze d'onda tra 10 e 18 micron. Il controllo sarà effettuato in temperatura depositando MoO3 su un film sottile di VO2 su substrato di vetro. Il cambiamento dell'indice di rifrazione di VO2 tra le sue due fasi di semiconduttore e metallo, rispettivamente per temperature inferiori e superiori alla Tc=68 °C, consentirà di modificare le condizioni di interferenza all' interfaccia con MoO3. In questo modo sarà possibile controllare dinamicamente le condizioni di esistenza dell'onda superficiale supportata. L' MoO3 è un mezzo iperbolico naturale biassico caratterizzato da tre diverse bande di Reststrahlen (in cui la permettività elettrica è negativa) lungo i suoi tre assi principali. Viste le sue straordinarie caratteristiche dispersive l'MoO3 offre la possibilità di eccitare particolari onde polaritoniche di superficie dette "hyperbolic surface phonon-polaritons" (HSPhP). Tali stati sono di interesse per applicazioni di imaging termico e rilevamento molecolare. HSPhP possono infatti migliorare la sensibilità di detector e sensori IR grazie alla loro capacità di localizzare la luce su scala nanometrica. Indagheremo inoltre la possibilità di espandere la tipologia di stati eccitabili in tale materiale attraverso una opportuna nanostrutturazione. In particolare si studieranno stati ibridi che consentono di accoppiare fononi longitudinali (facilmente eccitabili elettricamente ma non riadiativi) a onde polaritoniche di superficie/guidate rendendo possibile lo sviluppo di sorgenti nel medio IR alimentate elettricamente. L'utilizzo del film di VO2 consente infine una accordabilità delle frequenze e/o delle direzioni di propagazione delle onde generate facilitando l'osservazione sperimentale e aumentandone la versatilità.
Lo studio delle onde di superficie all'interfaccia tra mezzi isotropi e anisotropi ha una storia ultraventennale ma solo negli ultimi anni lo sviluppo di nuovi materiali, nuove tecniche di fabbricazione e la messa a punto di tecniche di rivelazione sempre più raffinate in regime di campo vicino ha permesso l'osservazione sperimentale di una ampia varietà di onde di superficie. Per esempio, l'estrema selettività in frequenza e direzione tipica delle onde di Dyakonov[1] in mezzi dielettrici e la mancanza di mezzi con dispersione adatta hanno ritardato l'osservazione sperimentale di tale tipologia di stati ibridi radiazione-materia di oltre 30 anni[2]. Tuttavia di recente lo sviluppo di metamateriali, metasuperfici e mezzi bidimensionali ha riacceso notevole interesse su questo argomento [3]. L'innovatività del nostro progetto, che si inserisce in questo ambito, consiste nello sfruttare le proprietà dell'MoO3 di essere un mezzo iperbolico naturale biassico per studiare tutte le possibili tipologie di onde di superficie ottenibili, sia in configurazione 2D, a singolo strato atomico, sia in configurazione 3D. In funzione dello spessore dello strato di MoO3 infatti saranno evidenziabili alcuni stati caratterizzati da una ibridizzazione tra l'onda di superficie e l'onda guidata nello strato planare. Lo studio delle proprietà di queste tipologie di stati guidati della luce è interessante sia per il possibile sviluppo di sensori (differenti stati superficiali avranno una differente sensibilità agli agenti contaminanti presenti in superficie) sia allo sviluppo di sorgenti nel medio IR alimentate elettricamente. Tali stati ibridi infatti consentono di accoppiare fononi longitudinali (facilmente eccitabili elettricamente ma non radiativi) a onde polaritoniche di superficie/guidate [4]. Si potrebbero quindi realizzare sorgenti IR guidate fortemente monocromatiche in maniera analoga a quanto descritto in [4] ma utilizando le propiretà uniche di dispersione dell' MoO3, dunque evitando di ricorrere a costose tecniche litografiche. L'utilizzo del film di VO2 consentirebbe inoltre una accordabilità delle frequenze e/o delle direzioni di propagazione delle onde generate. Tale controllo, effettuto in temperatura potrebbe successivamente essere sostituito da un controllo ottico in quanto la transizione di fase del VO2 può essere stimolata otticamente su scale temporali estremamente veloci (sub ps) [5]. Questo tipo di sorgenti nel MIR, accordabili e modulabili su scale temporali ultraveloci potrebbero trovare un largo impiego in sensori per la sicurezza in ambito industriale e casalingo per la senosoristica, applicazioni termofotovoltatiche, ingegnerizzazione degli scambi di calore radiativi.
Con il presente progetto ci poniamo l'obiettivo di studiare a fondo (teoricamente e sperimentalmente) le potenzialità di questo nuovo materiale ( MoO3), di analizzare tutti i possibili stati di superficie e ibridi ( guida planare/superficie), di studiarne le caratteristiche dispersive e le possibilità di controllo in temperatura attraverso un film sottile di VO2. Ci aspettiamo che tale studio porterà ad almeno due pubblicazioni su riviste peer-reviewed ed open access ad elevato impact factor e altrettanti contributi a conferenze internazionali. Ci aspetttiamo inoltre che i risultati della nostra ricerca rafforzeranno le collaborazioni internazionali già in atto e creeranno i presupposti per la formulazione di progetti di ricerca più articolati in ambito nazionale e internazionale.
Riferimenti:
1 M.I. Dyakonov, New type of elecromagnetic wave propagating at an interface, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 94, 119-123 (1988)
2 O. Takayama, L. Crasovan, D. Artigas, and L. Torner, Observation of Dyakonov Surface Waves, Phys. Rev. Lett. 102, 043903 (2009)
3 O. Takayama et al, Midinfrared Surface Waves on a High Aspect Ratio Nanotrench Platform, ACS photonics, 4, 2899-2907 (2017)
4 C.R. Gubbin et al. Hybrid longitudinal-transverse phonon polaritons, Nat. Comm. 10, 1682 (2019)
5 A. Cavalleri et al. Femtosecond structural dynamics in VO2 during an ultrafast solid-solid phase transition, Phys. Rev. Lett. 87, 23, 237401, (2001)