Un puntatore laser multicolore che puoi utilizzare per cambiare il colore del laser con un clic, simile a una penna a sfera multicolore, è un passo avanti nella realtà grazie a un nuovo minuscolo materiale sintetico realizzato presso i Sandia National Laboratories.

Un puntatore laser appariscente può essere divertente da immaginare, ma cambiare il colore di un laser ha molti altri usi, dalla scoperta di siti archeologici nascosti in fitte foreste e dal rilevamento di segni di vita extraterrestre nell'aria, all'accelerazione e all'aumento della capacità di comunicazione a lunga distanza tramite reti in fibra ottica.

La ricerca sul nuovo metamateriale che mescola la luce è stata pubblicata in Comunicazioni sulla natura prima di oggi. Il lavoro è stato condotto da Sandia Senior Scientist Igal Brener insieme a collaboratori presso la Friedrich Schiller University di Jena. Il documento riporta come un metamateriale costituito da una serie di nanocilindri ha mescolato due impulsi laser di luce nel vicino infrarosso per produrre 11 onde di luce che variano di colore dal vicino infrarosso, attraverso i colori dell'arcobaleno, all'ultravioletto.

Un metamateriale è un materiale costituito da minuscoli, strutture ripetitive che interagiscono con le onde elettromagnetiche in modi che i materiali convenzionali non possono. Le strutture sono molto più piccole della lunghezza d'onda della luce che sono progettate per manipolare. Sono in qualche modo simili alle strutture naturali che conferiscono alle ali delle farfalle morfo blu la loro spettacolare iridescenza. Le ali hanno scaglie con minuscole strutture ripetitive, che riflettono la luce per produrre il colore blu.

Il metamateriale mescola la luce per produrre 11 nuove lunghezze d'onda

Per questo mixer ottico, la matrice di nanocilindri è costituita da arseniuro di gallio, un semiconduttore utilizzato in molti tipi di elettronica. Curve di arseniuro di gallio, o rifrange, luce forte, essenziale per questo tipo di metamateriale, disse Brener. Ogni nanocilindro è alto circa 500 nanometri, o 100 volte più piccolo della larghezza di un capello umano, con un diametro di circa 400 nanometri. Sono disposti in uno schema quadrato a circa 840 nanometri di distanza l'uno dall'altro.

Modi attuali per mescolare la luce, come quelli utilizzati per i puntatori laser verdi, utilizzare cristalli appositamente realizzati per allineare perfettamente le onde luminose per consentire la miscelazione, disse Brener. Questo è chiamato adattamento di fase. A causa delle regole fisiche, ogni cristallo può abbinare in modo efficiente solo le fasi di un colore della luce in entrata per produrre un colore diverso della luce. Il metamateriale di Sandia funziona in maniera completamente diversa.

Anziché, il team ha selezionato due laser nel vicino infrarosso con lunghezze d'onda sintonizzate sulle frequenze di risonanza del metamateriale, o le lunghezze d'onda che rimbalzano meglio all'interno dei nanocilindri, disse Polina Vabishchevich, un incaricato postdottorato di Sandia e primo autore dell'articolo. La luce di questi due laser, chiamateli frequenze A e B, si mescola per produrre 11 colori da diversi prodotti di miscelazione, tra cui A+A, A+B, B+B, A+A+B, e A+B+B, tra gli altri prodotti di miscelazione complessi.

"Con questo piccolo dispositivo e due impulsi laser siamo stati in grado di generare 11 nuovi colori contemporaneamente, che è così bello, " ha detto Vabishchevich. "Non abbiamo bisogno di cambiare gli angoli o abbinare le fasi."

Il metamixer ottico ha il potenziale per applicazioni di ricerca diffuse

Il metamateriale è stato realizzato utilizzando processi presi in prestito dalla fabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Questa fabbricazione è stata condotta in diverse strutture Sandia, tra cui Sandia's Microsystems Engineering, Scienze, e Applicazioni complesse e il Centro per le nanotecnologie integrate, una struttura utente del Dipartimento dell'Energia dell'Ufficio della Scienza operata congiuntamente con il Los Alamos National Laboratory.

"Se non avessimo accesso alla strumentazione che abbiamo a Sandia, questa ricerca sarebbe stata impossibile, " ha detto Brener. "Senza il sistema laser a femtosecondi specializzato di CINT, sarebbe stato molto difficile eseguire queste misurazioni." Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo e i laser a femtosecondi producono una luce potente.

Sebbene l'efficienza di conversione per il metamixer ottico sia molto bassa, ad esempio la luce rosso-arancione risultante è molto debole rispetto alla luce in entrata, Brener ritiene che l'efficienza possa essere notevolmente migliorata con ulteriori lavori, magari impilando più strati di metamateriale.

Molti diversi tipi di ricerca chimica e biologica, dall'utilizzo di microscopi specializzati per studiare come le malattie sfuggono al sistema immunitario allo studio della chimica della combustione per migliorare l'efficienza del veicolo, richiedono luce a lunghezze d'onda specifiche. Questo metamixer ottico potrebbe convertire la luce dai laser a una nuova lunghezza d'onda in cui un laser potrebbe non essere disponibile o consentire ai ricercatori di passare da una lunghezza d'onda all'altra senza dover acquistare un laser diverso, disse Brener.

commutabile, laser sintonizzabili potrebbero essere utili anche in campo biologico, ricerca chimica e atmosferica; telerilevamento; comunicazione basata su fibra ottica; anche l'ottica quantistica.