Un nuovo modo di acquisire immagini nella parte del medio infrarosso dello spettro, sviluppato da ricercatori del MIT e altrove, potrebbe consentire un'ampia varietà di applicazioni, compresa la termografia, rilevamento biomedico, e comunicazione nello spazio libero.

La banda del medio infrarosso (mid-IR) della radiazione elettromagnetica è una parte particolarmente utile dello spettro; può fornire immagini al buio, tracce di calore, e forniscono un rilevamento sensibile di molti segnali biomolecolari e chimici. Ma i sistemi ottici per questa banda di frequenze sono stati difficili da realizzare, e i dispositivi che li utilizzano sono altamente specializzati e costosi. Ora, i ricercatori affermano di aver trovato un approccio altamente efficiente e fabbricabile in serie per controllare e rilevare queste onde.

I risultati sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo dei ricercatori del MIT Tian Gu e Juejun Hu, Hualiang Zhang, ricercatore dell'Università del Massachusetts al Lowell, e altri 13 al MIT, l'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche della Cina, e la East China Normal University.

Il nuovo approccio utilizza un piatto, materiale artificiale composto da elementi ottici nanostrutturati, invece del solito spessore, lenti in vetro curvo utilizzate nell'ottica convenzionale. Questi elementi forniscono risposte elettromagnetiche su richiesta e sono realizzati utilizzando tecniche simili a quelle utilizzate per i chip dei computer. "Questo tipo di metasuperficie può essere realizzato utilizzando tecniche di microfabbricazione standard, " dice Gu. "La produzione è scalabile".

Aggiunge che "ci sono state notevoli dimostrazioni di ottiche metasuperficiali nella luce visibile e nel vicino infrarosso, ma nel medio infrarosso si sta muovendo lentamente." Quando hanno iniziato questa ricerca, lui dice, la domanda era, poiché potrebbero rendere questi dispositivi estremamente sottili, "Potremmo anche renderli efficienti ea basso costo?" Questo è ciò che i membri del team affermano di aver ottenuto.

Il nuovo dispositivo utilizza una serie di elementi ottici a film sottile di forma precisa chiamati "meta-atomi" realizzati in lega di calcogenuro, che ha un alto indice di rifrazione che può formare alte prestazioni, strutture ultrasottili chiamate meta-atomi. Questi meta-atomi, con forme simili a lettere maiuscole come I o H, sono depositati e modellati su un substrato trasparente IR di fluoruro. Le forme minuscole hanno spessori che sono una frazione delle lunghezze d'onda della luce osservata, e collettivamente possono agire come una lente. Forniscono una manipolazione del fronte d'onda quasi arbitraria che non è possibile con materiali naturali su scale più grandi, ma hanno una piccolissima frazione dello spessore, e quindi è necessaria solo una piccola quantità di materiale. "È fondamentalmente diverso dall'ottica convenzionale, " lui dice.

Il processo "ci consente di utilizzare tecniche di fabbricazione molto semplici, "Gu spiega, evaporando termicamente il materiale sul substrato. Hanno dimostrato la tecnica su wafer da 6 pollici con un'elevata produttività, uno standard nella microfabbricazione, e "stiamo esaminando la produzione su scala ancora più ampia".

I dispositivi trasmettono l'80% della luce a infrarossi medi con efficienze ottiche fino al 75%, rappresentando un miglioramento significativo rispetto alle metaottiche mid-IR esistenti, dice Gu. Possono anche essere realizzati molto più leggeri e sottili delle ottiche IR convenzionali. Utilizzando lo stesso metodo, variando il modello della matrice i ricercatori possono produrre arbitrariamente diversi tipi di dispositivi ottici, compreso un semplice deflettore del raggio, una lente cilindrica o sferica, e lenti asferiche complesse. Le lenti hanno dimostrato di focalizzare la luce a medio infrarosso con la massima nitidezza teoricamente possibile, noto come limite di diffrazione.

Queste tecniche consentono la creazione di dispositivi metaottici, che può manipolare la luce in modi più complessi di quelli che possono essere ottenuti utilizzando materiali trasparenti sfusi convenzionali, dice Gu. I dispositivi possono anche controllare la polarizzazione e altre proprietà.

La luce a medio infrarosso è importante in molti campi. Contiene le bande spettrali caratteristiche della maggior parte dei tipi di molecole, e penetra efficacemente nell'atmosfera, quindi è fondamentale per rilevare un'ampia gamma di sostanze come nel monitoraggio ambientale, così come per applicazioni militari e industriali, dicono i ricercatori. Poiché la maggior parte dei materiali ottici ordinari utilizzati nelle bande del visibile o del vicino infrarosso sono totalmente opachi a queste lunghezze d'onda, i sensori mid-IR sono stati complessi e costosi da realizzare. Quindi il nuovo approccio potrebbe aprire potenziali applicazioni completamente nuove, anche nei prodotti di rilevamento o di imaging dei consumatori, dice Gu.