La capacità di manipolare la luce su una scala di lunghezza d'onda inferiore potrebbe portare a una rivoluzione nei dispositivi fotonici come antenne, pannelli solari, e persino dispositivi di occultamento. I progressi delle nanotecnologie lo hanno reso possibile attraverso lo sviluppo di metasuperfici, materiali ricoperti da caratteristiche inferiori alla lunghezza d'onda della luce.

Ora, un team guidato dai ricercatori di A*STAR ha prodotto una metasuperficie molto promettente che può essere controllata con precisione utilizzando un circuito elettrico convenzionale in modo che rifletta e trasmetta diverse quantità di radiazioni. Può persino raggiungere la condizione di "perfetta antiriflesso" in cui non riflette alcuna radiazione. Nello specifico, la superficie funziona con radiazioni terahertz a banda larga, che si trova all'estremità dello spettro infrarosso e ha molti potenziali usi, in particolare nel campo della sicurezza o della medicina.

"La radiazione terahertz può penetrare un'ampia varietà di materiali non conduttori, ma è bloccato da acqua liquida o metalli, " spiega Lu Ding, che ha guidato il lavoro con Jinghua Teng presso l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). "Ciò significa che i fasci di terahertz possono essere utilizzati per la caratterizzazione dei materiali, ispezione dello strato, e produrre immagini ad alta risoluzione dell'interno di oggetti solidi. Sono radiazioni non ionizzanti, e più sicuro dei raggi X."

Le metasuperfici precedenti sono state progettate per manipolare il riflesso della radiazione terahertz. Però, la loro applicazione è stata limitata, come spiega Ding:"Le superfici antiriflesso terahertz convenzionali sono passive e spesso impiegano un rivestimento metallico ultrasottile che, una volta fabbricato, diventa fisso e non è possibile sintonizzare attivamente le sue prestazioni."

"Una metasuperficie elettricamente sintonizzabile produrrebbe dispositivi più versatili e renderebbe maggiore flessibilità nella progettazione del sistema, " aggiunge Teng. "È la svolta che la comunità sta cercando".

Ding e Teng, insieme ai colleghi dell'A*STAR Institute of Microelectronics (IME), Università tecnologica di Nanyang, Università Nazionale di Singapore e Università di Jilin in Cina, fabbricato la loro nuova metasuperficie su un wafer di silicio, utilizzando un processo completamente compatibile con le tecnologie dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) alla base della maggior parte dell'elettronica.

La metasuperficie esposta contiene strisce di silicio semiconduttore, drogato con altri elementi. Queste strisce sono alternativamente di tipo n, in cui i portatori di carica in movimento sono elettroni, e di tipo p, in cui i portatori sono "buchi" caricati positivamente nella struttura dell'elettrone. Quando la tensione fornita alle giunzioni p-n viene modificata, cambiano anche la riflessione e la trasmissione della radiazione.

Il team si è reso conto che il coefficiente di riflessione aumentava in risposta a un aumento della temperatura causato dalla tensione applicata. Nel frattempo, la trasmissione ha mostrato una risposta più complessa a seconda della polarità della tensione, che ha influenzato il tipo di vettore di carica che è diventato dominante. Utilizzando la spettroscopia nel dominio del tempo terahertz, il team ha mostrato che determinate condizioni di tensione hanno causato la scomparsa dell'impulso di eco dalla metasuperficie, che rappresenta un antiriflesso completo.

Oltre a fornire questo controllo senza precedenti su riflessione e trasmissione, la metasuperficie ha il vantaggio di essere quasi interamente piatta a livello atomico. Questo lo rende ideale per creare strati uniformi in dispositivi più complessi.

"Un altro grande vantaggio è per la nostra ricerca che esamina come i materiali 2-D interagiscono con metamateriali o metasuperfici 2-D, un argomento nel nostro progetto nel programma Pharos di semiconduttori 2-D di A*STAR, " dice Teng. "La superficie atomicamente liscia rende il trasferimento e la formazione di eterostrutture 2-D-Si molto più facile rispetto alle superfici modellate di pilastri o dischi di dimensioni nanometriche viste su metasuperfici convenzionali".

"Potremmo sfruttare ulteriormente questo tipo di metasuperficie polarizzando in modo indipendente le giunzioni p-n o progettando funzioni modulari, il che significa che avremmo metamateriali pre-programmabili, " afferma Ding. Teng aggiunge che la stessa piattaforma potrebbe essere utilizzata per studiare materiali 2-D promettenti come il disolfuro di molibdeno, che esibisce proprietà elettroniche e ottiche impressionanti per l'uso in nuovi circuiti flessibili.