Una antena es un dispositivo capaz de transmitir eficazmente, recogiendo y redireccionamiento de la radiación electromagnética. Típicamente, las antenas son dispositivos macroscópicos que operan en el rango de radio y microondas. Sin embargo, hay dispositivos ópticos similares (Fig. 1). Las longitudes de onda de la luz visible ascienden a varios cientos de nanómetros. Como consecuencia, las antenas ópticas son, por necesidad, dispositivos nanométricos. Nanoantenas ópticas, que puede enfocar, directo, y transmitir la luz de forma eficaz, tienen una amplia gama de aplicaciones, incluida la transmisión de información por canales ópticos, fotodetección, microscopía, tecnología biomédica, e incluso acelerar las reacciones químicas.

Para que una antena capte y transmita señales de manera eficiente, sus elementos deben ser resonantes. En la banda de radio tales elementos son trozos de alambre. En el rango óptico, Las nanopartículas de plata y oro con resonancias plasmónicas (Fig. 2a) se han utilizado durante mucho tiempo para este propósito. Los campos electromagnéticos en tales partículas se pueden localizar en una escala de 10 nanómetros o menos, pero la mayor parte de la energía del campo se desperdicia debido al calentamiento Joule del metal conductor. Las partículas de materiales dieléctricos como el silicio con altos índices de refracción a frecuencias de luz visible constituyen una nueva alternativa a las nanopartículas plasmónicas. Cuando el tamaño de la partícula dieléctrica y la longitud de onda de la luz son los correctos, la partícula soporta resonancias ópticas llamadas resonancias Mie (Fig. 2b). Debido a que las propiedades materiales de los dieléctricos son diferentes de las de los metales, Es posible reducir significativamente el calentamiento resistivo reemplazando nanoantenas plasmónicas con análogos dieléctricos.

La característica clave de un material que determina los parámetros de resonancia de Mie es el índice de refracción. Las partículas hechas de materiales con altos índices de refracción tienen resonancias caracterizadas por factores de alta calidad. Esto significa que en estos materiales, Las oscilaciones electromagnéticas duran más sin excitación externa. Además, índices de refracción más altos corresponden a diámetros de partículas más pequeños, permitiendo dispositivos ópticos en miniatura. Estos factores hacen que los materiales de alto índice, es decir, aquellos con altos índices de refracción, más adecuados para la implementación de nanoantenas dieléctricas.

En su artículo publicado en Optica , los investigadores examinan sistemáticamente los materiales de alto índice disponibles en términos de sus resonancias en los rangos espectrales visible e infrarrojo. Los materiales de este tipo incluyen semiconductores y cristales polares como el carburo de silicio. Para ilustrar el comportamiento de varios materiales, los autores presentan sus factores de calidad asociados, que indican la rapidez con la que se extinguen las oscilaciones excitadas por la luz incidente. El análisis teórico permitió a los investigadores identificar el silicio cristalino como el mejor material disponible para la realización de antenas dieléctricas que operan en el rango visible. El germanio superó a otros materiales en la banda de infrarrojos. En la parte del infrarrojo medio del espectro, un compuesto de germanio y telurio obtuvo los resultados más altos (Fig. 3).

Existen limitaciones fundamentales en el valor del factor de calidad. Resulta que los índices de refracción altos en los semiconductores están asociados con las transiciones de electrones entre bandas, lo que conlleva inevitablemente la absorción de energía transportada por la luz incidente. Esta absorción a su vez conduce a una reducción del factor de calidad, así como calefacción, que los investigadores están tratando de deshacerse. Hay, por lo tanto, un delicado equilibrio entre un alto índice de refracción y pérdida de energía.

"Este estudio ofrece la imagen más completa de los materiales de alto índice, mostrando cuál de ellos es óptimo para fabricar una nanoantena que opere en este rango espectral, y porque proporciona un análisis de los procesos de fabricación involucrados, "dice Dmitry Zuev, científico investigador en el laboratorio de metamateriales de la Facultad de Física e Ingeniería, Universidad ITMO. "Esto nos permite seleccionar un material, así como la técnica de fabricación deseada, teniendo en cuenta los requisitos impuestos por su situación específica. Esta es una herramienta poderosa que avanza en el diseño y la realización experimental de una amplia gama de dispositivos nanofotónicos dieléctricos ".

Según la descripción general de las técnicas de fabricación, silicio, germanio, y el arseniuro de galio son los dieléctricos de alto índice más estudiados que se utilizan en nanofotónica. Se dispone de una amplia gama de métodos para fabricar nanoantenas resonantes basadas en estos materiales, incluyendo litográfico, químico, y métodos asistidos por láser. Sin embargo, en el caso de algunos materiales, no se ha desarrollado ninguna tecnología para la fabricación de nanopartículas resonantes. Por ejemplo, los investigadores aún tienen que encontrar formas de fabricar nanoantenas a partir de telururo de germanio, cuyas propiedades en el rango del infrarrojo medio fueron consideradas las más atractivas por el análisis teórico.

"El silicio es actualmente, Más Allá De Cualquier Duda, el material más utilizado en la fabricación de nanoantenas dieléctricas, "dice Denis Baranov, un doctorado estudiante en MIPT. "Es asequible, y las técnicas de fabricación basadas en silicio están bien establecidas. También, y esto es importante, es compatible con la tecnología CMOS, un estándar industrial en ingeniería de semiconductores. Pero el silicio no es la única opción. Pueden existir otros materiales con índices de refracción aún más altos en el rango óptico. Si son descubiertos, esto significaría una gran noticia para la nanofotónica dieléctrica ".

Los resultados de la investigación obtenidos por el equipo podrían ser utilizados por ingenieros nanofotónicos para desarrollar nuevas nanoantenas resonantes basadas en materiales dieléctricos de alto índice. Adicionalmente, el artículo sugiere más trabajo teórico y experimental dedicado a la búsqueda de otros materiales de alto índice con propiedades superiores para ser utilizados en nuevas nanoantenas dieléctricas mejoradas. Tales materiales podrían, entre otras cosas, utilizarse para aumentar considerablemente la eficiencia del enfriamiento radiativo de las células solares, lo que constituiría un importante avance tecnológico.