(a) La luce con una lunghezza d'onda di 700 nm che viaggia dal basso verso l'alto è distorta quando il raggio del cilindro (al centro) è di 175 nm. (b) Non c'è quasi nessuna distorsione quando il cilindro ha un raggio di 195 nm. Queste immagini corrispondono alle condizioni di invisibilità previste dal calcolo teorico. Credito: Fisica Applicata Express
Una coppia di ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) descrive un modo per far scomparire un cilindro di dimensioni inferiori al micron senza utilizzare alcun rivestimento specializzato. Le loro scoperte potrebbero consentire l'invisibilità dei materiali naturali alla frequenza ottica e alla fine portare a un modo più semplice per migliorare i dispositivi optoelettronici, comprese le tecnologie di rilevamento e comunicazione.
Rendere gli oggetti invisibili non è più materia di fantasia ma una scienza in rapida evoluzione. "Mantelli dell'invisibilità" che utilizzano metamateriali, materiali ingegnerizzati che possono piegare i raggi di luce attorno a un oggetto per renderlo non rilevabile, ora esistono, e stanno iniziando ad essere utilizzati per migliorare le prestazioni di antenne e sensori satellitari. Molti dei metamateriali proposti, tuttavia, funzionano solo a intervalli di lunghezze d'onda limitati come le frequenze delle microonde.
Ora, Kotaro Kajikawa e Yusuke Kobayashi del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica di Tokyo Tech riportano un modo per rendere invisibile un cilindro senza un mantello per l'illuminazione monocromatica a frequenza ottica, una gamma più ampia di lunghezze d'onda, compresi quelli visibili all'occhio umano.
In primo luogo hanno esplorato cosa succede quando un'onda luminosa colpisce un cilindro immaginario di lunghezza infinita. Sulla base di una teoria elettromagnetica classica chiamata dispersione di Mie, hanno visualizzato la relazione tra l'efficienza di diffusione della luce del cilindro e l'indice di rifrazione. Hanno cercato una regione che indicasse un'efficienza di dispersione molto bassa, che sapevano corrispondere all'invisibilità del cilindro.
Dopo aver individuato una regione adatta, hanno determinato che l'invisibilità si sarebbe verificata quando l'indice di rifrazione del cilindro variava da 2,7 a 3,8. Alcuni materiali naturali utili rientrano in questo intervallo, come il silicio (Si), arseniuro di alluminio (AlAs) e arseniuro di germanio (GaAs), comunemente utilizzati nella tecnologia dei semiconduttori.
Animazione di simulazioni al computer Credito:Kotaro Kajikawa
Così, in contrasto con le procedure di fabbricazione difficili e costose spesso associate ai rivestimenti in metamateriali esotici, il nuovo approccio potrebbe fornire un modo molto più semplice per raggiungere l'invisibilità.
I ricercatori hanno utilizzato la modellazione numerica basata sul metodo Finite-Difference Time-Domain (FDTD) per confermare le condizioni per ottenere l'invisibilità. (Vedi Figura/Animazione.) Osservando da vicino i profili del campo magnetico, hanno dedotto che "l'invisibilità deriva dalla cancellazione dei dipoli generati nel cilindro".
Sebbene calcoli rigorosi dell'efficienza di diffusione siano stati finora possibili solo per cilindri e sfere, Kajikawa nota che ci sono piani per testare altre strutture, ma questi richiederebbero molta più potenza di calcolo.
Per verificare nella pratica i risultati attuali, dovrebbe essere relativamente facile eseguire esperimenti utilizzando minuscoli cilindri fatti di silicio e arseniuro di germanio. Kajikawa afferma:"Speriamo di collaborare con gruppi di ricerca che ora si stanno concentrando su tali nanostrutture. Quindi, il prossimo passo sarebbe progettare nuovi dispositivi ottici".
Le potenziali applicazioni optoelettroniche possono includere nuovi tipi di rilevatori e sensori per l'industria medica e aerospaziale.
