Fisica delle nanostrutture e delle metasuperfici
L’attività di ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di nanostrutture e dispositivi a scala nanometrica in grado di svolgere funzionalità innovative in particolare sfruttando le peculiari proprietà dell’interazione luce-materia alla nanoscala. Questo viene fatto combinando competenze di fisica e di scienza dei materiali e utilizzando un approccio che va dalla nanofabbricazione, alla caratterizzazione e alla modellizzazione. A causa del confinamento quantico le proprietà dei materiali dipendono dalle dimensioni delle nanostrutture, per cui controllandone dimensione, morfologia e grado di ordine si possono ottenere proprietà innovative di interesse non solo per la fisica di base ma anche per le loro molteplici applicazioni tecnologiche. Nanostrutture ordinate a formare reticoli bidimensionali ordinati (metasuperfici) vengono utilizzate per controllare l’efficienza quantica di emissione da parte di emettitori quantistici per ottenere sorgenti di luce coerente o a singolo fotone per applicazioni in nanofotonica e ottica quantistica. L’attività di ricerca sulle metasuperfici si concentra inoltre sullo sviluppo di materiali nanostrutturati capaci di manipolare la luce in modi nuovi e controllabili. Viene studiata l’interazione tra le metasuperfici e le onde elettromagnetiche per creare dispositivi ottici avanzati, come metalenti con applicazioni in telecomunicazioni, imaging e sensori. In particolare, la progettazione e la fabbricazione di nuove configurazioni di metalenti si rivolge all'efficienza nella manipolazione della luce, con applicazioni in ottica quantistica, telecomunicazioni, microscopia ottica e in fibra, e alla plenottica.
Staff
Professoresse e Professori di I fascia:Giovanni Mattei, Filippo Romanato
Professoresse e Professori di II fascia: Tiziana Cesca, Chiara Maurizio, Alessandro Patelli
Ricercatrici e Ricercatori: Bibiana Maria Fernandez Perez, Gianluca Ruffato
Personale tecnico: Nicola Argiolas, Luca Bacci, Giorgio Delfitto, Carlo Scian
Assegniste/i e Borsiste/i
Domenico Genchi, Boris Kalinic, Mattia Negrisolo, Darshan Giriyapura Prabhukumara, Eshan Shakerinasab
Dottorande/i
Ilaria Delbono, Francesca Dodici, Marco Ferrari, Riccardo Fiorotto, Paola Ragonese, Alice Sindoni, Yashashree Rajesh Vernekar, Andrea Vogliardi, Namratha Wooluvarana Naveekumar
Attività di ricerca
Sviluppo di sorgenti di luce innovative
La possibilità di ingegnerizzare le proprietà di emissione di emettitori quantistici, accoppiandoli con nanostrutture e metasuperfici metalliche e/o dielettriche opportunamente disegnate per aumentare la densità degli stati ottici, consente di controllarne proprietà quali l’efficienza quantica, la coerenza ma anche la natura non-classica come l’emissione a singolo fotone. Tali sorgenti innovative trovano applicazione in nanofotonica da un lato nello sviluppo di nanolaser integrabili che emettono nello spettro visibile o nel vicino infrarosso (nella regione delle telecomunicazioni) o nella realizzazione di sorgenti di luce non-classica a singolo fotone per tecnologie quantistiche come la crittografia o le comunicazioni quantistiche.
Tra le tematiche studiate:
> nanolaser plasmonici
> aumento dell’efficienza quantica di emissione tramite modi BIC di metasuperfici
Contatti: Tiziana Cesca, Giovanni Mattei
Sito web: https://materia.dfa.unipd.it/nsg/
Metamateriali e metasuperfici per la nanofotonica
I metamateriali (cioè, materiali artificiali costituiti da altri materiali) consentono di ottenere proprietà innovative per applicazioni in nanofotonica dato che le loro proprietà non sono semplicemente la somma di quelle dei singoli componenti. Infatti, combinando opportunamente materiali plasmonici e dielettrici in strutture periodiche (come multistrati periodici) si possono ottenere metamateriali otticamente anisotropi con valori nulli della funzione dielettrica (e quindi dell’indice di rifrazione) che mostrano proprietà ottiche peculiari e controintuitive, come la possibilità di ottenere modulazioni temporali dell’indice di rifrazione.
Tra i temi di ricerca:
> metamaterali ENZ (epsilon-near-zero) per l’ottica nonlineare
> cristalli fotonici temporali
Contatti: Tiziana Cesca, Giovanni Mattei
Sito web: https://materia.dfa.unipd.it/nsg/
Plasmonica
Quando fotoni nel visibile o nel vicino infrarosso interagiscono con nanostrutture metalliche di dimensione, forma e composizione (Au, Ag o loro leghe per esempio) opportunamente disegnate per sfruttare il fenomeno della risonanza di plasma di superficie, si riesce a localizzare l’intensità del campo elettromagnetico in regioni più piccole della lunghezza d’onda della luce (superando il limite di diffrazione) oppure a sfruttare fenomeni peculiari che si attivano alla nanoscala in metasuperfici ottenute tramite la disposizione periodica di nanostrutture in grado di sostenere risonanze collettive (modi di reticolo). Tra i temi studiati:
> Nanoantenne plasmoniche
> Proprietà ottiche lineari e nonlineari di nanostrutture metalliche
> Metasuperfici plasmoniche e/o dielettriche con proprietà chirali
> Modellizzazione delle proprietà plasmoniche di nanostrutture isolate o interagenti
Contatti: Tiziana Cesca, Giovanni Mattei
Sito web: https://materia.dfa.unipd.it/nsg/
Nanomateriali per l’energetica
In quest’ambito, inquadrato nello European Green Deal, si studiano nanomateriali che usano la radiazione solare per produrre idrogeno dall’acqua e per la purificazione dell’acqua da agenti inquinanti. La sfida è di individuare a tale scopo efficienti materiali -ancora non disponibili- a base di elementi facilmente reperibili (tipicamente ossidi di metalli di transizione), non inquinanti e ecosostenibili. Per raggiungere questo obiettivo ambizioso, è necessaria una comprensione dettagliata dei fenomeni fisici alla base del processo di interazione tra la luce e le nanostrutture, anche mediata da nanostrutture plasmoniche, e dei processi di trasporto di carica nel materiale e attraverso la superficie. L’attività sperimentale include la sintesi dei nanomateriali, la caratterizzazione morfologica, strutturale e funzionale, anche utilizzando sorgenti di luce di sincrotrone europee.
Tra i temi studiati:
> Sintesi di nanostrutture ad elevata area superficiale per la fotocatalisi
> Trasporto di cariche fotoindotte attraverso interfacce.
> Effetto dell’ordine locale su processi fotocatalitici.
Contatti: Chiara Maurizio, M. Fernandez Perez, G. Mattei
Utilizzo del plasma a pressione atmosferica per nano e microstrutture
Un plasma a temperatura ambiente e pressione atmosferica fornisce un ambiente unico ricco di ioni, elettroni, campi elettrici e radicali. I nostri sforzi di ricerca si concentrano sullo sfruttamento di questi componenti per dirigere la crescita di nano e microstrutture, sia sulle superfici che in liquido.
Questa tematica di ricerca nasce dallo sviluppo di un sistema innovativo e senza precedenti a livello internazionale che utilizza alimentatori a doppia frequenza. Mentre la propagazione del plasma a pressione atmosferica è tipicamente instabile, la soluzione da noi ideata consente un controllo preciso sulla propagazione, sulla generazione di specie chimiche e sull’interazione del plasma con le superfici.
Queste caratteristiche distintive offrono la possibilità di sintetizzare materiali sia organici che inorganici, anche su substrati termicamente sensibili. Inoltre, facilitano il controllo sull’orientamento e sull’aggregazione, con applicazioni che vanno dal controllo dell’allineamento di materiali 1D o 2D all’interno degli idrogel all’influenza sull’aggregazione di macromolecole come i peptidi. Queste applicazioni abbracciano diversi campi, tra cui la purificazione dell’acqua, la sintesi dell’idrogeno, l’ingegneria dei tessuti e la somministrazione di farmaci.
La nostra ricerca riguarda diverse aree chiave:
> Studio dell'aggregazione controllata di macromolecole.
> Sintesi di materiali con diverso grado di ordine/disordine.
> Esplorazione di trattamenti superficiali per modificare le proprietà chimiche e morfologiche
Contatti: Alessandro Patelli
Metasuperfici
Le metasuperfici costituiscono lo stadio di evoluzione più recente dell’ottica, sostituendo gli elementi ottici standard, refrattivi o diffrattivi, mediante elementi ottici piatti, con spessore micrometrico, che manipolano le proprietà della luce su scala inferiore alla lunghezza d’onda. Questo nuovo paradigma permette di utilizzare i materiali e le tecniche della semiconductor manufacturing per la produzione e integrazione delle ottiche, e di realizzare una integrazione di funzionalità senza precedenti nello stesso dispositivo. Ambiti di interesse:
> Studio interazione tra luce e microstrutture
> Disegno e progettazione di ottiche in forma di metasuperfici
> Processi di nanofabbricazione di metasuperfici
> Integrazione di dispositivi ottici.
Contatti: Filippo Romanato, Gianluca Ruffato
Luce strutturata
La strutturazione spaziale delle proprietà dei fasci ottici, come intensità, fase e polarizzazione, e la loro manipolazione combinata ha aperto negli ultimi anni ad applicazioni innovative in diversi campi, dalle scienze della vita alle tecnologie dell’informazione. Tra i temi studiati in questo ambito:
> Fasci con momento angolare orbitale
> Fasci vettoriali
> Fasci esotici e strutturazione ad elevata dimensionalità
> Caustiche di luce e fasci di caustiche.
Contatti: Filippo Romanato, Gianluca Ruffato
