I ricercatori del CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spagna) e collaboratori hanno segnalato in Scienza lo sviluppo di una cosiddetta metasuperficie iperbolica su cui la luce si propaga con wafefront completamente rimodellati. Questo risultato scientifico verso un controllo e un monitoraggio più precisi della luce è molto interessante per la miniaturizzazione dei dispositivi ottici per il rilevamento e l'elaborazione del segnale.

Le onde ottiche che si propagano lontano da una sorgente puntiforme mostrano tipicamente fronti d'onda circolari (convessi). "Come le onde sulla superficie dell'acqua quando cade un sasso, "dice Peining Li, EU Marie Sklodowska-Curie fellow presso nanoGUNE e primo autore dell'articolo. La ragione di questa propagazione circolare è che il mezzo attraverso il quale viaggia la luce è tipicamente omogeneo e isotropo, cioè., uniforme in tutte le direzioni.

Gli scienziati avevano teoricamente previsto che superfici specificamente strutturate possono capovolgere i fronti d'onda della luce quando si propaga lungo di esse. "Su tali superfici, chiamate metasuperfici iberboliche, le onde emesse da una sorgente puntiforme si propagano solo in determinate direzioni, e con fronti d'onda aperti (concavi), " spiega Javier Alfaro, dottorato di ricerca studente presso nanoGUNE e co-autore del paper. Queste onde insolite sono chiamate polaritoni di superficie iperbolici. Poiché si propagano solo in determinate direzioni, e con lunghezze d'onda molto più piccole di quella della luce nello spazio libero o delle guide d'onda standard, potrebbero aiutare a miniaturizzare i dispositivi ottici per il rilevamento e l'elaborazione del segnale.

Ora, i ricercatori hanno sviluppato una tale metasuperficie per la luce infrarossa. È a base di nitruro di boro, un materiale 2-D simile al grafene, che è stato selezionato per la sua capacità di manipolare la luce infrarossa su scale di lunghezza estremamente ridotte. Questo ha applicazioni in sensori chimici miniaturizzati o per la gestione del calore in dispositivi optoelettronici su scala nanometrica. I ricercatori hanno osservato direttamente i fronti d'onda concavi con uno speciale microscopio ottico.

Le metasuperfici iperboliche sono difficili da fabbricare, perché è richiesta una strutturazione estremamente precisa su scala nanometrica. Irene Dolado, dottorato di ricerca studente presso nanoGUNE, e Saül Velez, ex ricercatore postdottorato presso nanoGUNE (ora presso l'ETH di Zurigo) ha superato questa sfida utilizzando la litografia a fascio di elettroni e l'incisione di scaglie sottili di nitruro di boro di alta qualità fornite dalla Kansas State University. "Dopo diversi passaggi di ottimizzazione, abbiamo raggiunto la precisione richiesta e ottenuto strutture a reticolo con dimensioni di intercapedine fino a 25 nm, " dice Dolado. "Gli stessi metodi di fabbricazione possono essere applicati anche ad altri materiali, che potrebbe aprire la strada alla realizzazione di strutture metasuperficiali artificiali con proprietà ottiche personalizzate, " aggiunge Saül Velez.

Per vedere come le onde si propagano lungo la metasuperficie, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di nanoimaging a infrarossi all'avanguardia, sperimentata dal gruppo di nanottica di nanoGUNE. Per prima cosa hanno posizionato un nanorod d'oro a infrarossi sulla metasuperficie. "Svolge il ruolo di una pietra caduta nell'acqua, " dice Peining Li. Il nanorod concentra la luce infrarossa incidente in un punto minuscolo, che lancia onde che poi si propagano lungo la metasuperficie. Con l'aiuto di un cosiddetto microscopio a scansione di campo vicino di tipo scattering (s-SNOM), i ricercatori hanno ripreso le onde. "È stato incredibile vedere le immagini. In effetti mostravano la curvatura concava dei fronti d'onda che si stavano propagando dalla nanobarra d'oro, esattamente come previsto dalla teoria, "dice Rainer Hillenbrand, Professore Ikerbasque presso nanoGUNE, che ha condotto i lavori.

I risultati promettono che i materiali 2-D nanostrutturati diventino una nuova piattaforma per dispositivi e circuiti di metasuperfici hyberbolic, e dimostrare ulteriormente come la microscopia in campo vicino può essere applicata per svelare fenomeni ottici esotici in materiali anisotropi e per verificare nuovi principi di progettazione della metasuperficie.