Fisica della Materia Teorica: fotonica
La fotonica è quella branca della fisica che studia la generazione, la propagazione, il controllo e la rilevazione della radiazione elettromagnetica, prevalentemente nelle regioni spettrali del visibile e dell’infrarosso. Gli argomenti che possono essere trattati in quest’ambito di ricerca sono molteplici; tra quelli che sono oggetto di studio nel nostro Dipartimento i più rilevanti sono:
Cristalli fotonici - Si tratta di strutture caratterizzate da una periodicità della funzione dielettrica in una o più dimensioni su una scala confrontabile con quella della lunghezza d’onda d’interesse. Le proprietà di tali sistemi dipendono fortemente dalla loro geometria, e non solo dalle funzioni ottiche dei materiali costituenti. Da un punto di vista teorico, i cristalli fotonici possono essere considerati come l’analogo ottico dei cristalli elettronici, ed è quindi possibile introdurre anche per il campo elettromagnetico concetti come bande di energia e gap (“bande fotoniche” e “photonic band gap”). Dato il recente sviluppo di strumenti e tecniche per la manipolazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di materiali su una scala di lunghezza al di sotto del micrometro, tali strutture stanno acquisendo una forte importanza anche da un punto di vista applicativo.
Interazione radiazione-materia - Questo argomento, che unisce la fotonica con la fisica della materia condensata, riguarda lo studio dell’interazione fra il campo elettromagnetico e le eccitazioni della materia. Fra gli argomenti oggetto di ricerca vi sono le eccitazioni elementari quali exciton-polaritons e surface plasmon polaritons originanti da vari sistemi fisici (semiconduttori bulk e confinati in geometrie quali quantum wells e dots, nanostrutture metalliche). Un argomento di particolare interesse riguarda il controllo dell’emissione spontanea di uno stato eccitato in cavità: usualmente l’emettitore è un quantum dot di semiconduttore o una molecola organica, mentre la cavità può essere realizzata in sistemi sia dielettrici sia metallici, ad esempio in un cristallo fotonico in guida d'onda (v. figura). A seconda dei casi si può realizzare l’effetto Purcell, ossia la riduzione del tempo di vita radiativo, oppure il regime di accoppiamento forte, in cui lo scambio di energia fra lo stato eccitato e la radiazione elettromagnetica è reversibile e produce oscillazioni di Rabi di natura quantistica.
Ottica nonlineare classica e quantistica - In quest’ambito di ricerca vengono studiati gli effetti di interazione radiazione-materia legati ad una risposta ottica nonlineare del sistema in esame, tipicamente descritti attraverso tensori di suscettività dielettrica del secondo e terzo ordine. Tali effetti includono la generazione di armoniche, lo scattering Raman, l’effetto Kerr, l’assorbimento a due fotoni. Sono di particolare interesse gli effetti prettamente quantistici quali la generazione di stati di luce non-classici attraverso la fluorescenza parametrica, il photon blockade e l’ottica nonlineare a singolo fotone. L’obiettivo principale di questa ricerca è lo studio di tali effetti, a livello sia classico sia quantistico, principalmente in strutture microscopiche attraverso le quali è possibile aumentare di diversi ordini di grandezza l’efficienza di questi processi non lineari.
Light trapping: celle fotovoltaiche e grating couplers - Questa linea di ricerca è finalizzata allo studio dell’accoppiamento fra la luce e vari tipi di strutture fotoniche. Fra le applicazioni più rilevanti ed oggetto di attività di ricerca svolte in Dipartimento si possono citare le celle fotovoltaiche, dove l’accoppiamento e l’intrappolamento della luce è finalizzato alla sua conversione in energia elettrica. Si studiano in particolare le celle solari a film sottile di silicio e di altri semiconduttori, con l’obiettivo di introdurre strutture fotoniche che permettano di aumentare l’efficienza di conversione di energia riducendo allo stesso tempo lo spessore del materiale semiconduttore. L’analisi del light trapping viene combinata con la descrizione del trasporto elettronico mediante soluzione delle equazioni di drift-diffusione. Si studiano inoltre i grating couplers, che hanno come scopo l’accoppiamento di luce da fibra ottica (tipicamente alla lunghezza d’onda delle telecomunicazioni, 1.5 micron) a strutture fotoniche integrate basate su guide d’onda di silicio su isolante. La modellizzazione e il design di sistemi per la silicon photonics è un argomento di crescente interesse applicativo e industriale.
Partecipanti: L.C. Andreani, D.Gerace, M. Liscidini