Luce su Misura: Scolpire Strutture Commutabili nel Diossido di Vanadio!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di veramente affascinante che sta succedendo nel mondo della scienza dei materiali e dell’ottica. Immaginate di poter “scolpire” la superficie di un materiale con la luce, creando strutture microscopiche che non solo possiamo controllare, ma che possiamo anche accendere e spegnere a velocità pazzesche. Sembra fantascienza, vero? Eppure, è proprio quello che stiamo esplorando con un materiale davvero speciale: il diossido di vanadio (VO2).

Un Materiale “Magico”: Il Diossido di Vanadio

Il VO2 non è un materiale come gli altri. Ha una proprietà quasi magica: subisce una transizione da isolante a metallo (e viceversa) superando una certa temperatura (intorno ai 68°C) o, ancora più incredibile, se colpito da un impulso di luce laser ultraveloce. Questa sua capacità di cambiare “personalità” lo rende un candidato ideale per un sacco di applicazioni futuristiche: finestre intelligenti che regolano il calore, componenti per computer neuromorfici (che imitano il cervello), sensori ultra-sensibili e, appunto, metamateriali, cioè materiali artificiali con proprietà ottiche che non esistono in natura.

Noi ci siamo chiesti: cosa succede se prendiamo questo materiale incredibile e proviamo a inciderlo con un laser a femtosecondi (parliamo di impulsi di luce che durano milionesimi di miliardesimo di secondo)? L’idea era di creare delle nanostrutture sulla sua superficie, strutture così piccole da interagire con la luce in modi nuovi e controllabili.

Quando la Luce Scolpisce la Materia: Le LIPSS

Quando si spara un laser potente e polarizzato (cioè con le onde luminose che oscillano tutte nella stessa direzione) su un materiale, a volte si formano delle micro-incisioni periodiche sulla superficie, chiamate LIPSS (Laser-Induced Periodic Surface Structures). Sono come delle minuscole onde o solchi, di solito orientate perpendicolarmente o parallelamente alla polarizzazione della luce laser.

Abbiamo provato a farlo sul nostro diossido di vanadio monocristallino (cioè con una struttura atomica super ordinata) usando un laser a femtosecondi. E voilà! Abbiamo ottenuto delle bellissime strutture periodiche, dei solchi quasi sinusoidali profondi poche centinaia di nanometri e con una periodicità leggermente inferiore alla lunghezza d’onda del laser usato (circa 880 nm contro i 1030 nm del laser). La cosa interessante è che, come ci aspettavamo inizialmente, ruotando la polarizzazione del laser, anche l’orientamento di questi solchi ruotava, disponendosi sempre perpendicolarmente ad essa.

Un aspetto cruciale è che, nonostante il trattamento laser intenso, le nostre analisi (usando tecniche come la diffrazione di elettroni retrodiffusi, EBSD) hanno mostrato che il materiale sotto le strutture rimaneva monocristallino! Questo è fantastico, perché significa che conserva le sue proprietà uniche, inclusa la famosa transizione isolante-metallo. Non diventa amorfo o policristallino come succede spesso con altri materiali dopo un trattamento laser così energetico.

Ma come si formano queste strutture? L’ipotesi più accreditata coinvolge i cosiddetti plasmoni polaritoni di superficie (SPP). Sono onde elettromagnetiche che viaggiano sull’interfaccia tra un metallo e un isolante (o il vuoto). Nel nostro caso, il VO2 a temperatura ambiente è un isolante e non supporterebbe questi SPP. Tuttavia, l’impulso laser è così intenso e breve che, prima ancora di terminare, riesce a trasformare temporaneamente la superficie del VO2 in metallo. A questo punto, la parte restante dell’impulso può eccitare gli SPP, che interferendo con la luce incidente o tra loro, creano zone di maggiore intensità energetica che abladono o fondono il materiale in modo periodico. Colpo dopo colpo, la struttura si forma e si stabilizza.

La Sorpresa: Strutture Indipendenti dalla Luce!

Fin qui, tutto abbastanza “standard” per chi studia le LIPSS. Ma poi, abbassando un po’ l’energia del laser (la “fluenza”), abbiamo notato qualcosa di completamente inaspettato. Accanto alle strutture “classiche” che seguivano la polarizzazione, ne appariva un’altra, con una periodicità maggiore (circa 2 micrometri, il doppio della lunghezza d’onda del laser) e, soprattutto, con un orientamento fisso, completamente indipendente dalla polarizzazione della luce laser!

Abbiamo ruotato la polarizzazione del laser in tutte le direzioni, ma queste nuove strutture “subarmoniche” rimanevano testardamente allineate lungo una direzione specifica, a circa ±43 gradi rispetto a un asse cristallografico principale del VO2 (l’asse c della fase rutilo ad alta temperatura). Analizzando diverse zone del cristallo con orientamenti atomici leggermente diversi (domini geminati, tipici del VO2 nella sua fase monoclinica a bassa temperatura), abbiamo visto che l’orientamento di queste strutture anomale seguiva precisamente l’orientamento dell’asse cristallografico locale (l’asse c monoclinico).

Cosa stava succedendo? La nostra ipotesi è legata all’anisotropia del VO2. Questo materiale non ha le stesse proprietà ottiche in tutte le direzioni. Pensiamo che durante i primissimi istanti dell’impulso laser, il materiale venga “drogato” dalla luce (foto-doping) e inizi a diventare metallico, ma in modo anisotropo. Diventa metallico (costante dielettrica negativa) solo lungo una specifica direzione cristallografica (l’asse c monoclinico), mentre rimane isolante (costante dielettrica positiva) nelle direzioni perpendicolari.

Questa condizione transitoria permette la propagazione di SPP solo lungo quella direzione privilegiata, un fenomeno noto come luce canalizzata. È come se la luce fosse costretta a viaggiare su binari invisibili dettati dalla struttura atomica del materiale, ignorando la direzione imposta dalla polarizzazione del laser esterno. Questa luce canalizzata, abbastanza intensa a specifiche fluenze laser, riesce a “scrivere” la sua traccia sul materiale, creando queste strutture direzionali uniche. Solo più tardi nell’impulso, quando l’intero materiale diventa metallico in tutte le direzioni, prendono il sopravvento le LIPSS convenzionali dipendenti dalla polarizzazione.

Controllo Totale: Scrivere, Cancellare, Riscrivere

La bellezza di queste strutture indotte dal laser è che sono riscrivibili. Possiamo creare un reticolo di solchi con una certa orientazione, poi ripassare sulla stessa area con il laser polarizzato diversamente e sovrascrivere completamente la struttura precedente con la nuova orientazione. Se invece ripassiamo con la stessa polarizzazione, i nuovi solchi si allineano perfettamente in fase con quelli esistenti, rafforzando la struttura. Questo apre la porta a dispositivi ottici dinamici dove possiamo “disegnare” e “cancellare” pattern ottici a piacimento.

Inoltre, variando la fluenza del laser, possiamo scegliere quale tipo di struttura creare:

• Fluenze alte: Solchi “classici” (bassa frequenza spaziale, ~900 nm), perpendicolari alla polarizzazione.
• Fluenze intermedie: Comparsa di solchi più fini (alta frequenza spaziale, ~200 nm) ai bordi dello spot laser, sempre perpendicolari alla polarizzazione.
• Fluenze basse: Comparsa delle strutture subarmoniche (~2 µm) dovute alla luce canalizzata, con orientamento fisso dipendente dal cristallo.

Interruttori di Luce Ultrarapidi

Ma a cosa serve tutto questo? Beh, ricordate la transizione isolante-metallo del VO2? Poiché le nostre strutture rimangono cristalline, mantengono questa proprietà. Abbiamo creato un reticolo di diffrazione (una serie di solchi paralleli) su un’area più grande e poi l’abbiamo usato per diffrangere un raggio laser verde continuo. Illuminando poi il reticolo con un breve e intenso impulso laser infrarosso (sotto la soglia di scrittura, ma sufficiente per indurre la transizione), abbiamo visto l’intensità della luce verde diffratta crollare istantaneamente (in pochi nanosecondi, limitati dalla velocità del nostro rivelatore, ma la transizione del VO2 avviene in meno di 100 femtosecondi!). Dopo pochi microsecondi, il materiale si raffredda, torna isolante e il reticolo riprende a diffrangere come prima.

Abbiamo quindi creato un interruttore ottico ultraveloce e riscrivibile!

Verso il Futuro della Fotonica

Questa scoperta è entusiasmante perché combina la versatilità della lavorazione laser a femtosecondi con le proprietà uniche dei materiali fortemente correlati come il VO2. Dimostra che possiamo usare le proprietà transienti e anisotrope indotte dalla luce per creare nanostrutture complesse con geometrie controllate, non solo dalla luce stessa ma anche dalla struttura intima del materiale.

Queste strutture superficiali monocristalline, direzionali, commutabili e riscrivibili potrebbero diventare strumenti potentissimi per realizzare metamateriali attivi su larga scala, aprendo nuove strade per la manipolazione della luce, il calcolo ottico, la sensoristica e le comunicazioni ultraveloci. È un campo di ricerca in pieno fermento, e chissà quali altre sorprese ci riserverà l’interazione tra luce estrema e materia quantistica!

Fonte: Springer