Un team guidato da scienziati dell'Università di Washington ha progettato e testato un metamateriale stampato in 3D in grado di manipolare la luce con precisione su scala nanometrica. Come riportano in un articolo pubblicato il 4 ottobre sulla rivista Progressi scientifici , il loro elemento ottico progettato focalizza la luce su punti discreti in uno schema elicoidale 3-D.

I principi di progettazione del team e le scoperte sperimentali dimostrano che è possibile modellare e costruire dispositivi metamateriali in grado di manipolare con precisione i campi ottici con un'elevata risoluzione spaziale in tre dimensioni. Sebbene il team abbia scelto un modello elicoidale, un'elica a spirale, per il loro elemento ottico per focalizzare la luce, il loro approccio potrebbe essere utilizzato per progettare elementi ottici che controllano e focalizzano la luce in altri modelli.

I dispositivi con questo livello di controllo di precisione sulla luce potrebbero essere utilizzati non solo per miniaturizzare gli elementi ottici di oggi, come lenti o catarifrangenti, ma anche per realizzare nuove varietà. Inoltre, progettare campi ottici in tre dimensioni potrebbe consentire la creazione di sensori di profondità ultracompatti per il trasporto autonomo, nonché elementi ottici per display e sensori in cuffie per realtà virtuale o aumentata.

"Questo dispositivo segnalato non ha in realtà un analogo classico nell'ottica rifrattiva, l'ottica che incontriamo nella nostra vita quotidiana, " ha detto l'autore corrispondente Arka Majumdar, un assistente professore UW di ingegneria elettrica e informatica e fisica, e membro di facoltà presso l'UW Institute for Nano-Engineered Systems e l'Institute for Molecular &Engineering Sciences. "Nessuno ha mai realizzato un dispositivo come questo prima d'ora con questo insieme di funzionalità".

Il gruppo, che comprende ricercatori dell'Air Force Research Laboratory e dell'Università di Dayton Research Institute, ha adottato un approccio meno utilizzato nel campo dei metamateriali ottici per progettare l'elemento ottico:il design inverso. Usando il disegno inverso, hanno iniziato con il tipo di profilo del campo ottico che volevano generare - otto punti di luce focalizzati in un modello elicoidale - e hanno progettato una superficie metamateriale che avrebbe creato quel modello.

"Non sempre conosciamo intuitivamente la struttura appropriata di un elemento ottico data una funzionalità specifica, " ha detto Majumdar. "È qui che entra in gioco il design inverso:lasci che l'algoritmo progetti l'ottica".

Sebbene questo approccio sembri semplice ed eviti gli inconvenienti dei metodi di progettazione per tentativi ed errori, il design inverso non è ampiamente utilizzato per metamateriali otticamente attivi di ampia area perché richiede un gran numero di simulazioni, rendendo la progettazione inversa ad alta intensità di calcolo.

Qui, il team ha evitato questa trappola grazie a un'intuizione di Alan Zhan, autore principale della carta, che si è recentemente laureato alla UW con un dottorato in fisica. Zhan si rese conto che il team poteva usare la teoria della dispersione di Mie per progettare l'elemento ottico. La diffusione di Mie descrive come le onde luminose di una particolare lunghezza d'onda vengono disperse da sfere o cilindri di dimensioni simili alla lunghezza d'onda ottica. La teoria dello scattering di Mie spiega come le nanoparticelle metalliche nel vetro colorato possono conferire a determinate finestre della chiesa i loro colori audaci, e come altri manufatti in vetro colorato cambiano colore a diverse lunghezze d'onda della luce, secondo Zhan.

"La nostra implementazione della teoria della dispersione di Mie è specifica per determinate forme, le sfere, il che significa che abbiamo dovuto incorporare quelle forme nel design dell'elemento ottico, " disse Zhan. "Ma, fare affidamento sulla teoria dello scattering di Mie ha semplificato notevolmente il processo di progettazione e simulazione perché potevamo rendere molto specifici, calcoli molto precisi sulle proprietà della luce quando interagisce con l'elemento ottico."

Il loro approccio potrebbe essere impiegato per includere diverse geometrie come cilindri ed ellissoidi.

L'elemento ottico progettato dal team è essenzialmente una superficie ricoperta da migliaia di minuscole sfere di diverse dimensioni, disposti in un reticolo quadrato periodico. L'uso delle sfere ha semplificato il design, e il team ha utilizzato una stampante 3D disponibile in commercio per fabbricare due prototipi di elementi ottici, il più grande dei due con lati lunghi solo 0,02 centimetri, presso la Washington Nanofabrication Facility nel campus UW. Gli elementi ottici sono stati stampati in 3D da una resina epossidica ultravioletta su superfici di vetro. Un elemento è stato progettato per focalizzare la luce a 1, 550 nanometri, l'altro alle 3, 000 nanometri.

I ricercatori hanno visualizzato gli elementi ottici al microscopio per vedere come si sono comportati come previsto, focalizzando la luce di 1, 550 o 3, 000 nanometri in otto punti specifici lungo un modello elicoidale 3-D. Al microscopio, i punti di luce più focalizzati erano nelle posizioni previste dalle simulazioni teoriche del team. Per esempio, per l'1, dispositivo con lunghezza d'onda di 550 nanometri, sei degli otto punti focali erano nella posizione prevista. I restanti due hanno mostrato solo deviazioni minori.

Con le alte prestazioni dei loro prototipi, il team vorrebbe migliorare il processo di progettazione per ridurre i livelli di luce di fondo e migliorare la precisione del posizionamento dei punti focali, e per incorporare altri elementi di design compatibili con la teoria dello scattering di Mie.

"Ora che abbiamo dimostrato che i principi di base del design funzionano, ci sono molte direzioni in cui possiamo andare con questo livello di precisione nella fabbricazione, " disse Majumdar.

Una direzione particolarmente promettente è quella di andare oltre una singola superficie per creare un vero volume, metamateriale 3-D.

"La stampa 3D ci consente di creare una pila di queste superfici, che prima non era possibile, " disse Majumdar.