Metamateriali

MetamatirialsUn

I metamateriali (MMs) costituiscono la frontiera nella tecnologia di scienza dei materiali. A differenza dei materiali naturali classici, le proprietà ottiche degli MMs possono essere facilmente adattate, se vengono opportunamente organizzate la geometria, la forma o la dimensione dei loro costituenti fondamentali. I MMs, di solito, sono fatti di unità fondamentali metallo/dielettriche profondamente subwavelength, disposte in modo periodico, che mostrano simmetria mono-, bi- o tri-dimensionale, possibilmente incorporando materiali riconfigurabili e/o materiali di guadagno, al fine di fornire loro proprietà reattive intelligenti. La nostra ricerca è focalizzata su due rami principali: metamateriali iperbolici e metamateriali chirali. Grazie ai loro parametri ottici estremi, entrambi offrono flessibilità di design senza precedenti e aprono la strada a una pletora di affascinanti nuove proprietà nei settori scientifici della fotonica, nanotecnologie, plasmonica e bio-nano materiali.

 

Metamateriali iperbolici

 

HyperbolicMaterials

I metamateriali iperbolici sono nanostrutture artificiali dotate di anisotropia ottica estrema. Per quanto riguarda permittività dielettrica nel piano (εx= εy = ε||) e fuori dal piano (εy = εperp), quattro anisotropie possono essere identificate, due delle quali implicano che il segno di ε|| e εperp sia contrario. In questi casi l’HMM può comportarsi come un dielettrico efficace per luce polarizzata nel piano e, al tempo stesso, come un metallo luce polarizzata fuori dal piano (anisotropia di Tipo I, ε|| > 0 e εperp < 0), o completamente in modo inverso (anisotropia di Tipo II, ε|| < 0 e εperp > 0). Due geometrie principali si comportano in questo modo: (1) un array di nano-fili metallici profondamente subwavelength, incorporati in una matrice dielettrica e (2) multistrati periodici 1D metallo/dielettrici. Nel secondo caso (il più facile da fabbricare), la progettazione dei parametri ottici del HMM complessivo può essere facilmente eseguita nell’ambito della teoria del mezzo effettivo, semplicemente agendo sullo spessore dei materiali fondamentali e sulla loro frazione di riempimento. In questo modo, l’indice di rifrazione di tali materiali può essere adattato come desiderato per sbloccare molti comportamenti affascinanti, come la collimazione della luce ultra-subwavelength, la lente perfetta e così via. La nostra ricerca consiste sia nell’esplorare nuove frontiere nel campo degli HMM (indagando soprattutto la possibilità fondamentale di concepire nuovi materiali e/o la loro disposizione in strutture periodiche) e di progettare e sviluppare nuovi dispositivi basati sugli HMM, come lenti perfette, biosensori, moduli fotovoltaici e nanolasers basati su HMM.

Highlights:

HMM tunabile con Epsilon-near-zero and pole (ENZP) (Lente Perfetta e Super-collimatore)

  1. A. Ramakrishna et. al. Hanno dimostrato la possibilità di utilizzare mezzi estremamente anisotropi, come metamateriali iperbolici (HMM), per raggiungere il cosiddetto “regime di canalizzazione”, una condizione che abbiamo rinominato εNZP sotto cui il mezzo mostra εx = εy = 0 (nel piano) e εz = ∞, contemporaneamente.

La superficie ad iso-frequenza per le onde straordinarie (polarizzate-TM) che si propagano in tale HMM è data da:

Formula

Dove: Formula2  e  Formula3

Qui εm e εd sono le permittività dei due materiali scelti come blocchi fondamentali (m per metallo e d per dielettrica). La condizione contemporanea di ε ~ 0 e ε ~ ∞ può essere soddisfatta se Ld = Lm e, contemporaneamente, εm = – εd. Abbiamo dimostrato la realizzazione sperimentale e la caratterizzazione di un particolare HMM che mostra la condizione di cui sopra (εNZP), nel campo del visibile, aprendo la strada ad applicazioni estreme come l’effetto di super-collimazione e il comportamento a lente perfetta per bio-imaging ad alta risoluzione.

 

bio-imaging

 

Applicazioni basate sugli HMM (trasmissione migliorata, aumento del rate di emissione e nanolasers)

Un reticolo di diffrazione bi-dimensionale (2D) di argento accoppiato con un HMM Ag/Al2O3 mostra un aumento di 18 volte del rate di decadimento di emissione spontanea di molecole di colorante rispetto al medesimo HMM senza reticolo. I risultati sperimentali sono confrontati con i modelli analitici e simulazioni numeriche, che confermano che il miglioramento osservato nel caso di HMM accoppiati con reticolo (GCHMM) è dovuto al disaccoppiamento dei modi plasmonici non radiativi nonché al forte accoppiamento plasmone-eccitone in HMM tramite diffrazione da reticolo.

 

HMM

 

Metamateriali Chirali

 

Twisted

I Metamateriali Chirali sono una nuova classe di metamateriali dove la geometria chirale dell’elemento fondamentale, interagendo con la luce, genera fenomeni quali il dicroismo circolare o la dispersione rotatoria ottica, con importanti applicazioni in fotonica o nel biosensing. Questi materiali infatti possono essere usati come polarizzatori circolari miniaturizzati a larga banda, oppure possono sfruttare il principio della superchiralità per amplificare la risposta chiro-ottica di biomolecole intrinsecamente chirali, o ancora rappresentare una delle possibili configurazioni strutturali che permettono di osservare rifrazione negativa. In particolare, nanostrutture chirali tridimensionali hanno grandi potenzialità rispetto all’osservazione di effetti chiro-ottici alle frequenze del visibile, a fronte però di una notevole complessità tecnologica. Il nostro obiettivo è proprio quello di sviluppare tecnologie di nanofabbricazione idonee alla realizzazione di nanostrutture chirali tridimensionali e di studiare gli effetti chiro-ottici osservabili in queste strutture, quali dicrosimo circolare e rotazione ottica, verso lo sviluppo di componenti ottiche integrate e miniaturizzate come polarizzatori circoalri, beam splitter, isolatori ottici, o da utilizzare nella spettroscopia dicroica di molecole biologiche.

Highlights:

3D Chiral Metamaterials in the VIS range

Abbiamo realizzato nanoeliche plasmoniche con un approccio di nanofabbricazione bottom-up basato sulla deposizione indotta da fascio ionico focalizzato, con un livello di controllo nanometrico sulle caratteristiche geometriche delle strutture. Gli array realizzati nei nostri laboratori mostrano proprietà chiro-ottiche alle frequenze del visibile e una banda di funzionamento molto larga, ingegnerizzabile con le dimesnioni delle nanostrutture.

TwistedMulti

Highly Pure Broadband Circular Polarizers based on Intertwined Fully 3D Nanostructures

Sfruttando un processo di nanofabbricazione innovativo, che abbiamo chiamato crescita tomografica rotativa e che utilizza la tecnologia di deposizione indotta da fascio ionico focalizzato, abbiamo realizzato strutture chirali complesse dove diversi fili metallici si intrecciano in una geometria a multielica,che sopprime la birifrangenza circolare rispetto al sistema a singolo filo Queste strutture mostrano largo dicroismo circolare in tutto il range del visibile ( da 500nm a 1000 nm), con un ottimo rapporto segnale/rumore, e attività ottica fino a 8°, risultando quindi molto promettenti per l’applicazione in nano-circuiti ottici che modulano la polarizzazione circolare di luce visibile.

MetamatirialsUn

Metamateriali Ottici

Metamateriali Iperbolici per l’ottica

I Metamateriali, come già introdotto in precedenza, sono una classe di materiali artificiali aventi parametri strutturali molto più piccoli della lunghezza d’onda operativa, di solito nanostrutturati per frequenze ottiche. Tuttavia, la loro risposta efficace per onde luminose mostra proprietà straordinarie e affascinanti. Molti comportamenti fisici promettenti possono derivare da materiali con tale risposta elettromagnetica insolita, tra i quali la rifrazione negativa, il cloacking ottico, immagini a super-risoluzione, circuiti ottici ultra compatti, nanolasers plasmonici, inversione della radiazione Cherenkov, sono solo alcuni esempi. Recentemente, una nuova classe di metamateriali sta ricevendo una crescente attenzione nel panorama scientifico, poiché presenta un comportamento ultra anisotropico non ancora riscontrato in natura per frequenze ottiche. Questi materiali, noti come metamateriali iperbolici (HMM), possiedono una straordinaria ed elevata anisotropia delle proprietà dielettriche. A causa di questa estrema anisotropia rappresentano il modo di realizzare efficaci meta-strutture di volume con particolari proprietà ottiche nel visibile.
Multistrati metallo-dielettrico e array di nanofili con dispersione iperbolica sono stati realizzati in tutta la gamma del visibile e vari effetti interessanti sono stati dimostrati, tra cui l’imaging subwavelength. Mescolando correttamente un metallo con un dielettrico speciale, la epsilonperp e la epsilonpar dell’intero sistema può diventare sia positiva o che negativa, aprendo la strada ad una anisotropia estrema. Le tecniche di deposizione per sputtering e termiche sono utilizzate al fine di ottenere strutture multistrato con spessore nanometrico della singola cella elementare. Straordinarie proprietà sono state trovate.

Metamateriali a guadagno-assistito

I metamateriali, essendo basati su sub-unità di metallo, soffrono di alti valori di perdite ohmiche, che impediscono il loro uso in applicazioni reali. L’idea di portare molecole di guadagno in prossimità di nanostrutture metallo-dielettriche, si basa sugli effetti coerenti di trasferimento di energia di eccitazione tra le bande di risonanza dei due materiali. È noto che le relative modifiche di fluorescenza di molecole di colorante collocate in prossimità di nanoparticelle (NPs) metalliche sono causa di interazioni reciproche con plasmoni di superficie delle NPs, inclusi il trasferimento di energia risonante (RET).

Approcci a scale meso- e macro- sono stati proposti per colmare il divario tra il singolo nanostruttura plasmoniche e materiali alla rinfusa. Diversi sistemi sono stati realizzati in varie dimensioni e seguendo diverse tecniche chimiche. A queste scale, l’interazione plasmonica guadagno è dominato dalla posizione del mezzo di guadagno rispetto alla distribuzione spaziale del campo locale.

Fabbricazione di nanoparticelle funzionali e nanostrutture

Nano-compositi e materiali nano-strutturati sono dotati di particolari proprietà fisiche, alla base di tecnologie innovative. Pertanto la linea di ricerca di fabbricazione è di primaria importanza per le diverse attività di ricerca svolte @ Nanotec-CS, vale a dire metamateriali ottici, biopercezione, Opto-fluidica, Plasmonica. Le tecniche di fabbricazione impiegate comprendono sia la top-down che la bottom-up, sfruttando strategie ibride.

Una nuova generazione di materiali nanostrutturati plasmonici, creata per frequenze infrarosse e ottiche, può essere preparata mediante l’uso di nano-chimica e auto-assemblaggio di materiali soft come alternativa alla litografia standard o olografia multi-fascio. La chimica alla nano-scala offre oggi una grande versatilità in termini di materiali costituenti, morfologie, dimensioni e funzioni di superficie per la realizzazione di nano-particelle che costituiranno i mattoni fondamentali dei compositi nanostrutturati. Questo approccio è tipicamente bottom-up, e può essere integrato con tecniche top-down, come la tradizionale litografia UV a maschera, o con scrittura laser diretta a multi-fotone (DLW) in materiali soft. Il nostro obiettivo è realizzare strutture 3D ibride metallo / dielettrico arbitrariamente complesse con caratteristiche nel range dei 100 nm.

In parallelo, sono stati effettuati studi su fotoresist speciali drogati con precursori metallici, da utilizzare per DLW a 2-fotoni, per la creazione di NP metalliche all’interno di strutture polimeriche.

Gold nanoparticles in pva MATRIX

Facilities & Labs

Photonics Lab @ Lecce

Nanofab Lab @ Lecce

Beyon Nano @ Rende

People

espositomarcoMarco

Esposito

PostDoc Associato

passaseoAdriana

Passaseo

Primo Ricercatore CNR

VittoriannaTascoVittorianna

Tasco

Ricercatore CNR

massimo_cuscunaMassimo

Cuscunà

Tecnologo CNR

Roberto_bartolinoRoberto

Bartolino

Professore Associato

versaceCarlo C.

Versace

Professore Associato

Francesco_TodiscoFrancesco

Todisco

PostDoc Associato

Iolena_tarantiniIolena

Tarantini

Tecnico Associato

milen_degiorgiMilena

De Giorgi

Tecnologo CNR

Marco

Leonetti

Assegnista di Ricerca CNR

daniele_sanvittoDaniele

Sanvitto

Primo Ricercatore CNR

Massimo_LaDedaMassimo

La Dedda

Professore Associato

Antonio_deLucaAntonio

De Luca

Professore Associato

Giuseppe-StrangiGiuseppe

Strangi

Ricercatore CNR

michel giocondoMichele

Giocondo

Ricercatore CNR

termineRoberto

Termine

Ricercatore CNR

vincenzo-caligiuriVincenzo

Caligiuri

Studente PhD Associato

Publications

  1. V. Caligiuri, A. De Luca, Metal-semiconductor-oxide extreme hyperbolic metamaterials for selectable canalization wavelength, Journal of Physics D: Applied Physics, 49 08LT01 (2016), doi: 10.1088/0022-3727/49/8/08LT01
  2. V. Caligiuri, R. Dhama, K. V. Sreekanth, G. Strangi and A. De Luca, Dielectric singularity in hyperbolic metamaterials: the inversion point of coexisting anisotropies, Scientific Reports, 6, 20002 (2016), doi: 10.1038/srep20002
  3. K. V. Sreekanth, A. De Luca and G. Strangi, Improved transmittance in metal-dielectric metamaterials using diffraction grating, Applied Physics Letters 104, 171904 (2014), doi:10.1063/1.4875555
  4. K. V. Sreekanth, K. H. Krishna, A. De Luca and G. Strangi, Large spontaneous emission rate enhancement in grating coupled hyperbolic metamaterials, Scientific Reports 4 , 6340 (2014), doi: 10.1038/srep06340
  5. K. V. Sreekanth, A. De Luca and G. Strangi, Excitation of volume plasmon polaritons in metal-dielectric metamaterials using 1D and 2D diffraction gratings, Journal of Optics 16, 105103 (2014), doi: 10.1088/2040-8978/16/10/105103
  6. M. Esposito, V. Tasco, F. Todisco, A. Benedetti, D. Sanvitto and A. Passaseo, Three dimensional chiral metamaterial nanospirals in the visible range by vertically compensated focused ion beam induced-deposition, Advanced Optical Materials 2, 154-161 (2014), doi: . 10.1002/adom.201300323
  7. M. Esposito, V. Tasco, M. Cuscunà, F. Todisco, A. Benedetti, I. Tarantini, M. De Giorgi, D. Sanvitto, A. Passaseo, Nanoscale 3D chiral plasmonic helices with circular dichroism at visible frequencies, ACS Photonics 2, 105–114(2015), doi: 10.1021/ph500318p.
  8. M. Esposito, V. Tasco, F. Todisco, M. Cuscunà, A. Benedetti, D. Sanvitto, A. Passaseo, Triple-helical nanowires by tomographic rotatory growth for chiral photonics, Nature Communications 6, 6484(2015), doi: 10.1038/ncomms7484
  9. M. Esposito, V. Tasco, F. Todisco, A. Benedetti, I. Tarantini, M. Cuscunà, L. Dominici, M. De Giorgi, A. Passaseo, Tailoring chiro-optical effects by helical nanowire arrangement, Nanoscale 7, 18081-18088 (2015), doi: 10.1039/C5NR04674B.
  10. M. Esposito, V. Tasco, F. Todisco, M. Cuscunà, A. Benedetti, M. Scuderi, G. Nicotra, and A. Passaseo, Programmable Extreme Chirality in the Visible by Helix-Shaped Metamaterial Platform, Nano Letters 16 (9), 5823-5828 (2016), DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02583
  11. De Luca, A. Iazzolino, J.-B. Salmon, J. Leng, S. Ravaine, A. N. Grigorenko and G. Strangi, Experimental evidence of exciton-plasmon coupling in densely packed dye doped core-shell nanoparticles obtained via microfluidic technique, J. of Appl. Phys. 116, 104303, (2014), DOI: 10.1063/1.4895061
  12. Infusino, A. De Luca, A. Veltri, C. Va?zquez-Va?zquez, M. A. Correa-Duarte, R. Dhama and G. Strangi, Loss-Mitigated Collective Resonances in Gain-Assisted Plasmonic Mesocapsules, ACS Photonics 1, 371-376 (2014), DOI: 10.1021/ph400174p
  13. K.V. Sreekanth, A. De Luca, and G. Strangi, Experimental demonstration of surface and bulk plasmon polaritons in hypergratings, Sci. Rep. Nature 3, 3291, (2013) – DOI:10.1038/srep03291
  14. K. V. Sreekanth, A. De Luca and G. Strangi, Negative refraction in graphene-based hyperbolic metamaterials, Appl. Phys. Lett., 103, 023107 (2013), DOI: 10.1063/1.4813477
  15. A. De Luca, N. Depalo, E. Fanizza, M. Striccoli, M. L. Curri, M. Infusino, A. R. Rashed, M. La Deda, G. Strangi, Plasmon Mediated super-absorber flexible nanocomposites for metamaterials, Nanoscale, 5, 6097-6105 (2013), DOI: 10.1039/C3NR00988B
  16. De Luca, A; Ravaine, S; La Deda, M; Scaramuzza, N; Bartolino, R; Strangi, G, Gain functionalized core-shell nanoparticles: The way to selectively compensate absorptive losses, J. Mater. Chem., 2012,22, 8846, DOI: 10.1039/C2JM30341H
  17. L Ricciardi, M Martini, O Tillement, L Sancey, P Perriat, M Ghedini, E I Szerb, Y J Yadav, M La Deda, Multifunctional material based on ionic transition metal complexes and gold-silica nanoparticles: Synthesis and photophysical characterization for application in imaging and therapy, J. Photochem. Photobiol. B: Biol., 140, 396. (2014), DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2014.09.005
  18. Ritacco, T.; Ricciardi, L.; La Deda, M.; et al., Controlling the optical creation of gold nanoparticles in a PVA matrix by direct laser writing, Journal of the European Optical Society-Rapid Publications 11, Article Number: 16008 (2016), DOI: 10.2971/jeos.2016.16008

Projects

Gain-Plasmon Coupling in Metal-Dielectric Nanostructures: Loss Compensation towards Laser Action, PRIN 2012

Beyond ‘Nano: Materials and processes BEYOND the NANO ‘scale (2012-2015)

Latest News

La settimana del rosa digitale - 4^ed

La settimana del rosa digitale - 4^ed

 

Percorso di condivisione della carriera di scienziato-donna fatto attraverso esperimenti di estrazione di sostanze chimiche partendo dal cibo.

11 e 15 marzo 2019

Via Marconi,39 - Casamassima Bari 70010

Che “cavolo" di arcobaleno-mamme e scienza un viaggio alla scoperta di cio’ che Madre Natura ci insegna.

con Eloisa Sardella (CNR Nanotec) e Laura Rosso (PSP)

maggiori info:

TERAMETANANO - International Conference on Terahertz Emission, Metamaterials and Nanophotonics

TERAMETANANO - IV ed.

Castello Carlo V, Lecce 27 -31 Maggio 2019

The IV edition of TERAMETANANO, the International Conference on Terahertz Emission, Metamaterials and Nanophotonics, will take place in Lecce (Italy) from 27 to 31 of May 2019 in the 16th-century Castle of Charles V   with two special nights that will be held in an original Theatre of Roman period.

 

TERAMETANANO is an annual conference that gather physicists studying a wide variety of phenomena in the areas of nano-structuresnano-photonics and meta-materials, with special attention to the coupling between light and matter and in a broad range of wavelengths, going from the visible up to the terahertz.

 

Al via la fase 2 del Tecnopolo per la medicina di precisione

Firmata convenzione tra Regione, Università e Cnr per avvio seconda fase del Tecnopolo

Bari, 27 novembre 2018 

Sottoscritto stamane l’accordo tra Regione PugliaCnr Consiglio nazionale delle ricerche, Irccs Giovanni Paolo II di Bari e Università di Bari per l’avvio della seconda fase del Tecnopolo per la Medicina di Precisione. Sede del tecnopolo, il CnrNanotec.

“La sfida della medicina moderna è tradurre nella pratica clinica gli enormi progressi compiuti dalla scienza e dalla tecnologia. In questo contesto le nanotecnologie, focalizzate sull’indagine e sulla manipolazione della materia a livello nanometrico-molecolare, si presentano come uno strumento potentissimo al servizio della medicina di precisione, la nuova frontiera che punta allo sviluppo di trattamenti personalizzati per il singolo paziente”, afferma  Giuseppe Gigli, direttore di Cnr Nanotec e coordinatore del Tecnopolo.

Link video dichiarazione Massimo Inguscio: http://rpu.gl/uChUl

Link video di presentazione Tecnomed: http://rpu.gl/Qqerm

Link video dichiarazione Michele Emiliano: http://rpu.gl/aJoee