Un collage di immagini che mostrano ali di farfalla a diversi ingrandimenti. Credito:Wikimedia Commons
Le ali di una farfalla e le piume di un pavone utilizzano un'architettura su scala nanometrica per piegare la luce e produrre colori brillanti senza pigmenti o coloranti, e gli scienziati hanno cercato di emulare il disegno della natura.
Ora, scienziati della società di tecnologia di realtà mista Magic Leap Inc., lavorando con i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy, hanno sviluppato nuovi, modi versatili per controllare e migliorare le proprietà di flessione della luce delle nanostrutture ottiche sintetiche. La tecnologia di Magic Leap crea visualizzazioni che consentono alle immagini virtuali di coesistere e interagire con l'ambiente reale dello spettatore in tempo reale.
Il successo dei ricercatori, segnalato in Rapporti scientifici , consente la manipolazione della luce su ampi angoli, e attraverso lo spettro della luce visibile, in modo molto efficiente. Al centro del loro lavoro c'è un metodo per creare due tipi di materiali a base di silicio, componenti ottici ultrasottili.
"Ora siamo in grado di creare superfici in silicio in grado di assorbire la luce da un gran numero di angoli di ingresso e lunghezze d'onda con una perdita minima di efficienza di diffrazione, " ha detto Stefano Cabrini, direttore della Nanofabrication Facility presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, specializzata in strumenti e tecniche per la ricerca e lo sviluppo su scala nanometrica.
"La flessibilità di input e il grado di controllo che queste nanostrutture hanno sul raggio di output non sono mai stati visti prima, " ha detto Cabrini.
Immagini al microscopio elettronico a scansione della metasuperficie in modalità di trasmissione sviluppate presso la Molecular Foundry. La barra della scala per l'immagine a sinistra è di 2 micron ed è di 200 nanometri per le immagini a destra. Credito:Berkeley Lab
Molti dispositivi ottici esistenti sono progettati anche per controllare e manipolare la luce per il rilevamento, immagini, e comunicazioni, Per esempio, ma i loro componenti possono essere ingombranti e costosi, come quelli utilizzati in alcune macchine per immagini mediche e fotocamere DSLR.
Ridurre questi strumenti su scala nanometrica potrebbe inaugurare una nuova generazione di dispositivi convenienti con funzionalità avanzate per le telecomunicazioni, medicinale, e prodotti di consumo. L'elenco delle potenziali applicazioni include superfici "intelligenti" in grado di respingere l'acqua, elaborazione dati ultraveloce, ologrammi, e persino mantelli "dell'invisibilità" che possono nascondere oggetti manipolando la luce.
La nuova tecnologia si basa su "metasuperfici ottiche, " che sono strutture bidimensionali progettate per interagire con le onde luminose in modi che i materiali naturali non possono. I materiali possono avere strati di pochi miliardesimi di metro (nanometri) di spessore, e contengono antenne ottiche su nanoscala in grado di controllare la riflessione o la trasmissione della luce. La loro natura ultrasottile li rende facili da integrare in una varietà di sistemi.
Rivestimenti antiriflesso, come quelli utilizzati sulle lenti degli occhiali per ridurre l'abbagliamento, fornire un semplice esempio di metasuperfici ottiche. Molti di questi rivestimenti per lenti sono realizzati con strutture trasparenti ultrasottili (misurate in centinaia di nanometri) la cui disposizione controlla il riflesso della luce che entra nell'obiettivo.
Il team di ricerca di Magic Leap ha creato le nuove metasuperfici collaborando con esperti di nanofabbricazione presso la Molecular Foundry. Hanno scolpito uno schema di nanofasci di silicio usando un raggio focalizzato di elettroni e poi hanno trasferito il progetto su uno strato ultrasottile di silicio, solo da 20 a 120 nanometri di spessore. Questi nanofasci sono stati predisposti per controllare la trasmissione o la riflessione della luce.
Schemi delle metasuperfici sviluppate presso la Molecular Foundry. L'immagine a sinistra mostra coppie ripetute di nanofasci di silicio, con un raggio di 30 nanometri e l'altro nella coppia di 55 nanometri di diametro. L'immagine a destra mostra un altro strato distanziatore di materiale metasuperficiale PMMA (acrilico) tra coppie di nanofasci e uno strato di metallo. Credito:Berkeley Lab
Queste metasuperfici sono un esempio miniaturizzato di reticoli di diffrazione, che hanno superfici scanalate che possono dividere e piegare la luce, e funzionano in modo simile a come un prisma divide un raggio di luce in un arcobaleno. Le scanalature possono essere disposte per concentrare la luce diffratta in un ordine particolare per una data lunghezza d'onda, creazione di modelli specifici.
I precedenti progetti di metasuperfici in grado di controllare fasci di luce ultracompatti sono stati funzionali, ma limitato. Queste strutture tendevano a piegare la luce solo ad angoli stretti perché aumentare l'angolo rende i dispositivi inefficienti.
I modelli precedenti erano inoltre vincolati sia dall'angolo di ingresso della luce che dalla lunghezza d'onda. La luce in entrata doveva entrare nella superficie con un angolo di 90 gradi per evitare un calo di efficienza ed era limitata alle lunghezze d'onda nello spettro infrarosso per evitare problemi con l'assorbimento della luce, entrambi possono rendere i dispositivi inaffidabili o difettosi.
I nanofasci che compongono ciascuno dei nuovi design sono stati accuratamente progettati per dirigere la luce mentre attraversa o si riflette sulla superficie. La dimensione dei nanofasci e la distanza tra di loro controlla le proprietà della luce in uscita.
Realizzando le metasuperfici in silicio, i ricercatori sono stati in grado di sfruttare la tecnologia di fabbricazione ampiamente disponibile per questo materiale, che consente di adattare più facilmente il loro lavoro alla produzione di massa.
