Da più di 500 anni, gli umani hanno imparato l'arte della rifrazione della luce modellando il vetro in lenti, quindi piegando o combinando quelle lenti per amplificare e chiarire le immagini sia da vicino che da lontano.

Ma negli ultimi dieci anni o giù di lì, un gruppo guidato dallo scienziato Federico Capasso dell'Università di Harvard ha iniziato a trasformare il campo dell'ottica progettando metasuperfici ottiche piatte, impiegando una serie di milioni di minuscoli pilastri di quarzo microscopicamente sottili e trasparenti per diffrangere e modellare il flusso di luce più o meno allo stesso modo di una lente di vetro, ma senza le aberrazioni che limitano naturalmente il vetro.

La tecnologia è stata selezionata come tra le 10 migliori tecnologie emergenti dal World Economic Forum (WEF) nel 2019, che ha osservato che questi sempre più piccoli, obiettivi più chiari avrebbero presto cominciato a essere visti nei cellulari con fotocamera, sensori, linee in fibra ottica e dispositivi di imaging medico, come gli endoscopi.

"Realizzare gli obiettivi utilizzati dai telefoni cellulari, computer e altri dispositivi elettronici più piccoli sono andati oltre le capacità delle tradizionali tecniche di taglio e curvatura del vetro, " secondo il WEF. "...Questi piccoli, magro, le lenti piatte potrebbero sostituire le ingombranti lenti in vetro esistenti e consentire un'ulteriore miniaturizzazione nei sensori e nei dispositivi di imaging medico".

Rendere i metalli "riconfigurabili"

Ora, Il professore di fisica della Case Western Reserve University Giuseppe Strangi e i suoi collaboratori ad Harvard hanno fatto un passo avanti per rendere questi "metalensi" ancora più utili, rendendoli riconfigurabili.

Lo hanno fatto sfruttando le forze su scala nanometrica per infiltrare i cristalli liquidi tra quei pilastri microscopici, permettendo loro di modellare e diffrangere la luce in modi completamente nuovi, "sintonizzando" il potere di focalizzazione, disse Strango.

I cristalli liquidi sono particolarmente utili perché possono essere manipolati termicamente, elettricamente, magneticamente o otticamente, che crea il potenziale per le lenti flessibili o riconfigurabili.

"Crediamo che questo mantenga la promessa di rivoluzionare l'ottica come la conosciamo dal XVI secolo, " disse Strangi, il cui Nanoplasm Lab presso la Case Western Reserve indaga "l'ottica estrema" e l'"interazione tra luce e materia su scala nanometrica, "tra le altre cose.

Fino a poco tempo fa, una volta che una lente di vetro è stata modellata in una curva rigida, potrebbe piegare la luce solo in un modo, a meno che non sia combinato con altri obiettivi o spostato fisicamente, disse Strango.

Metalenses ha cambiato questo, poiché consentono di ingegnerizzare il fronte d'onda controllando la fase, ampiezza e polarizzazione della luce.

Ora, controllando il cristallo liquido, i ricercatori sono stati in grado di spostare questa nuova classe di metalensi verso nuovi sforzi scientifici e tecnologici per generare luce strutturata riconfigurabile.

"Questo è solo il primo passo, ma ci sono molte possibilità per usare questi obiettivi, e siamo già stati contattati da aziende interessate a questa tecnologia, "disse Strani.

Il documento che annunciava la svolta è stato pubblicato all'inizio di agosto da Proceedings of the Accademia Nazionale delle Scienze .

Strangi ha collaborato con diversi altri ricercatori negli Stati Uniti e in Europa, compresi i colleghi ricercatori della Case Western Reserve Andrew Lininger e Jonathan Boyd; Giovanna Palermo dell'Universita' della Calabria in Italia; e Capasso, Alexander Zhu e Joon-Suh Park della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences dell'Università di Harvard.

Lininger ha affermato che parte del problema con le attuali applicazioni delle metasuperfici è che la loro forma è fissata nel punto di produzione, ma "abilitando la riconfigurabilità nella metasuperficie, questi limiti possono essere superati".

Capasso, che ha aperto la strada al campo di ricerca dell'ottica piatta e nel 2014 ha pubblicato per la prima volta la ricerca sui metalenses, accreditato Strangi per l'idea di infiltrare i metalli con cristalli liquidi e ha detto che questa innovazione rappresenta un passo verso cose ancora più grandi.

"La nostra capacità di infiltrarci in modo riproducibile con i cristalli liquidi all'avanguardia realizzati con colonne di vetro di diametro superiore a 150 milioni di nanoscala e di modificare in modo significativo le loro proprietà di messa a fuoco è un presagio dell'entusiasmante scienza e tecnologia che mi aspetto di ottenere dall'ottica piatta riconfigurabile nel futuro, " ha detto Capasso.