Uma antena é um dispositivo capaz de transmitir efetivamente, Pegando, e redirecionando a radiação eletromagnética. Tipicamente, antenas são dispositivos macroscópicos que operam na faixa de rádio e microondas. Contudo, existem dispositivos ópticos semelhantes (Fig. 1). Os comprimentos de onda da luz visível chegam a várias centenas de nanômetros. Como consequência, antenas ópticas são, por necessidade, dispositivos nanométricos. Nanoantenas ópticas, que pode focar, direto, e efetivamente transmitir luz, têm uma ampla gama de aplicações, incluindo a transmissão de informações por canais ópticos, fotodetecção, microscopia, tecnologia biomédica, e até mesmo acelerando as reações químicas.

Para que uma antena capte e transmita sinais de forma eficiente, seus elementos precisam ser ressonantes. Na banda de rádio, esses elementos são pedaços de arame. Na faixa ótica, nanopartículas de prata e ouro com ressonâncias plasmônicas (Fig. 2a) têm sido usadas há muito tempo para esse propósito. Os campos eletromagnéticos em tais partículas podem ser localizados em uma escala de 10 nanômetros ou menos, mas a maior parte da energia do campo é desperdiçada devido ao aquecimento Joule do metal condutor. Partículas de materiais dielétricos como o silício com altos índices de refração em frequências de luz visível constituem uma nova alternativa às nanopartículas plasmônicas. Quando o tamanho da partícula dielétrica e o comprimento de onda da luz estão certos, a partícula suporta ressonâncias ópticas chamadas ressonâncias de Mie (Fig. 2b). Como as propriedades dos materiais dielétricos são diferentes das dos metais, é possível reduzir significativamente o aquecimento resistivo substituindo nanoantenas plasmônicas por análogos dielétricos.

A principal característica de um material que determina os parâmetros de ressonância de Mie é o índice de refração. Partículas feitas de materiais com altos índices de refração têm ressonâncias caracterizadas por fatores de alta qualidade. Isso significa que, nesses materiais, oscilações eletromagnéticas duram mais tempo sem excitação externa. Além disso, índices de refração mais altos correspondem a diâmetros de partícula menores, permitindo dispositivos ópticos em miniatura. Esses fatores tornam os materiais de alto índice, ou seja, aqueles com altos índices de refração - mais adequados para a implementação de nanoantenas dielétricas.

Em seu artigo publicado em Optica , os pesquisadores examinam sistematicamente os materiais de alto índice disponíveis em termos de suas ressonâncias nas faixas espectrais do visível e infravermelho. Materiais desse tipo incluem semicondutores e cristais polares como carboneto de silício. Para ilustrar o comportamento de vários materiais, os autores apresentam seus fatores de qualidade associados, que indicam a rapidez com que as oscilações excitadas pela luz incidente morrem. A análise teórica permitiu aos pesquisadores identificar o silício cristalino como o melhor material disponível para a realização de antenas dielétricas operando na faixa do visível. O germânio superou outros materiais na banda infravermelha. Na parte do infravermelho médio do espectro, um composto de germânio e telúrio teve o melhor desempenho (Fig. 3).

Existem limitações fundamentais no valor do fator de qualidade. Acontece que altos índices de refração em semicondutores estão associados a transições entre bandas de elétrons, o que inevitavelmente envolve a absorção de energia transportada pela luz incidente. Essa absorção, por sua vez, leva a uma redução do fator de qualidade, bem como aquecimento, que os pesquisadores estão tentando lançar. Há, Portanto, um equilíbrio delicado entre um alto índice de refração e perda de energia.

"Este estudo oferece o quadro mais completo de materiais de alto índice, mostrando qual deles é ideal para fabricar uma nanoantena operando nesta faixa espectral, e porque fornece uma análise dos processos de fabricação envolvidos, "diz Dmitry Zuev, cientista pesquisador do laboratório de metamateriais da Faculdade de Física e Engenharia, ITMO University. "Isso nos permite selecionar um material, bem como a técnica de fabricação desejada, tendo em conta os requisitos impostos pela sua situação específica. Esta é uma ferramenta poderosa que promove o design e a realização experimental de uma ampla gama de dispositivos nanofotônicos dielétricos. "

De acordo com a visão geral das técnicas de fabricação, silício, germânio, e o arsenieto de gálio são os dielétricos de alto índice mais estudados e usados ​​em nanofotônica. Uma ampla gama de métodos está disponível para a fabricação de nanoantenas ressonantes com base nesses materiais, incluindo litográfico, químico, e métodos assistidos por laser. Contudo, no caso de alguns materiais, nenhuma tecnologia para a fabricação de nanopartículas ressonantes foi desenvolvida. Por exemplo, pesquisadores ainda não descobriram maneiras de fazer nanoantenas de telureto de germânio, cujas propriedades na faixa do infravermelho médio foram consideradas as mais atraentes pela análise teórica.

"O silício é atualmente, Além de qualquer dúvida, o material mais amplamente utilizado na fabricação de nanoantena dielétrica, "diz Denis Baranov, um Ph.D. aluno do MIPT. "É acessível, e as técnicas de fabricação à base de silício estão bem estabelecidas. Também, e isso é importante, é compatível com a tecnologia CMOS, um padrão da indústria em engenharia de semicondutores. Mas o silício não é a única opção. Outros materiais com índices de refração ainda mais altos na faixa ótica podem existir. Se forem descobertos, isso significaria uma ótima notícia para a nanofotônica dielétrica. "

Os resultados da pesquisa obtidos pela equipe podem ser usados ​​por engenheiros nanofotônicos para desenvolver novas nanoantenas ressonantes baseadas em materiais dielétricos de alto índice. Adicionalmente, o artigo sugere mais trabalho teórico e experimental dedicado à busca de outros materiais de alto índice com propriedades superiores para serem usados ​​em novas nanoantenas dielétricas aprimoradas. Esses materiais podem, entre outras coisas, ser usado para aumentar consideravelmente a eficiência do resfriamento radiativo de células solares, o que constituiria um importante avanço tecnológico.