Negli anni Cinquanta, il campo dell'elettronica ha cominciato a cambiare quando il transistor ha sostituito i tubi a vuoto nei computer. La modifica, che ha comportato la sostituzione di componenti grandi e lenti con altri piccoli e veloci, è stato un catalizzatore per la tendenza duratura della miniaturizzazione nella progettazione dei computer. Nessuna tale rivoluzione ha ancora colpito il campo dell'ottica a infrarossi, che rimane dipendente da parti mobili ingombranti che precludono la costruzione di piccoli impianti.

Però, un team di ricercatori del MIT Lincoln Laboratory, insieme al professor Juejun Hu e agli studenti laureati del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali del MIT, sta escogitando un modo per controllare la luce infrarossa utilizzando materiali a cambiamento di fase invece di parti in movimento. Questi materiali hanno la capacità di cambiare le loro proprietà ottiche quando viene aggiunta energia.

"Ci sono molti modi possibili in cui questo materiale può abilitare nuovi dispositivi fotonici che hanno un impatto sulla vita delle persone, " dice Hu. "Ad esempio, può essere utile per interruttori ottici ad alta efficienza energetica, che può migliorare la velocità della rete e ridurre il consumo energetico dei data center di Internet. Può abilitare dispositivi meta-ottici riconfigurabili, come compatto, obiettivi zoom infrarossi piatti senza parti meccaniche in movimento. Può anche portare a nuovi sistemi informatici, che può rendere l'apprendimento automatico più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle soluzioni attuali."

Una proprietà fondamentale dei materiali a cambiamento di fase è che possono cambiare la velocità con cui la luce li attraversa (l'indice di rifrazione). "Esistono già modi per modulare la luce utilizzando un cambiamento dell'indice di rifrazione, ma i materiali a cambiamento di fase possono cambiare quasi 1, 000 volte meglio, "dice Jeffrey Chou, un membro del team precedentemente nel gruppo Advanced Materials and Microsystems del laboratorio.

Il team ha controllato con successo la luce infrarossa in più sistemi utilizzando una nuova classe di materiale a cambiamento di fase contenente gli elementi germanio, antimonio, selenio, e tellurio, noto collettivamente come GSST. Questo lavoro è discusso in un articolo pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

La magia di un materiale a cambiamento di fase avviene nei legami chimici che legano insieme i suoi atomi. In uno stato di fase, il materiale è cristallino, con i suoi atomi disposti in uno schema organizzato. Questo stato può essere modificato applicando un breve, picco ad alta temperatura di energia termica al materiale, provocando la rottura dei legami nel cristallo per poi riformarsi in modo più casuale, o amorfo, modello. Per riportare il materiale allo stato cristallino, viene applicato un impulso di energia termica a lunga e media temperatura.

"Questo cambiamento dei legami chimici consente l'emergere di diverse proprietà ottiche, simili alle differenze tra carbone (amorfo) e diamante (cristallino), "dice Christopher Roberts, un altro membro del Lincoln Laboratory del gruppo di ricerca. "Mentre entrambi i materiali sono principalmente carbonio, hanno proprietà ottiche molto diverse."

Attualmente, i materiali a cambiamento di fase sono utilizzati per applicazioni industriali, come la tecnologia Blu-ray e i DVD riscrivibili, perché le loro proprietà sono utili per memorizzare e cancellare una grande quantità di informazioni. Ma così lontano, nessuno li ha usati nell'ottica a infrarossi perché tendono ad essere trasparenti in uno stato e opachi nell'altro. (Pensa al diamante, attraverso cui può passare la luce, e carbone, quale la luce non può penetrare.) Se la luce non può passare attraverso uno degli stati, allora quella luce non può essere adeguatamente controllata per una serie di usi; Invece, un sistema potrebbe funzionare solo come un interruttore on/off, permettendo alla luce di passare attraverso il materiale o di non attraversarlo affatto.

Però, il gruppo di ricerca ha scoperto che aggiungendo l'elemento selenio al materiale originale (chiamato GST), l'assorbimento della luce infrarossa da parte del materiale nella fase cristallina è diminuito drasticamente, in sostanza, trasformandolo da un materiale opaco simile al carbone a uno più trasparente simile al diamante. Cosa c'è di più, la grande differenza nell'indice di rifrazione dei due stati influenza la propagazione della luce attraverso di essi.

"Questo cambiamento nell'indice di rifrazione, senza introdurre perdite ottiche, consente la progettazione di dispositivi che controllano la luce infrarossa senza la necessità di parti meccaniche, "dice Roberts.

Come esempio, immagina un raggio laser che punta in una direzione e deve essere cambiato in un'altra. Nei sistemi attuali, un grande gimbal meccanico sposterebbe fisicamente una lente per dirigere il raggio in un'altra posizione. Una lente a film sottile in GSST sarebbe in grado di cambiare posizione riprogrammando elettricamente i materiali a cambiamento di fase, consentendo la sterzatura del raggio senza parti in movimento.

Il team ha già testato con successo il materiale in una lente mobile. Hanno anche dimostrato il suo utilizzo nell'imaging iperspettrale a infrarossi, che viene utilizzato per analizzare le immagini alla ricerca di oggetti o informazioni nascosti, e in un veloce otturatore ottico in grado di chiudersi in nanosecondi.

I potenziali usi per GSST sono vasti, e l'obiettivo finale del team è progettare chip ottici riconfigurabili, lenti a contatto, e filtri, che attualmente deve essere ricostruito da zero ogni volta che si rende necessaria una modifica. Una volta che il team è pronto a spostare il materiale oltre la fase di ricerca, dovrebbe essere abbastanza facile trasferirlo nello spazio commerciale. Poiché è già compatibile con i processi di fabbricazione microelettronica standard, I componenti GSST potrebbero essere realizzati a basso costo e in grandi quantità.

Recentemente, il laboratorio ha ottenuto una camera di sputtering combinatoria, una macchina all'avanguardia che consente ai ricercatori di creare materiali personalizzati da singoli elementi. Il team utilizzerà questa camera per ottimizzare ulteriormente i materiali per una maggiore affidabilità e velocità di commutazione, così come per applicazioni a bassa potenza. Hanno anche in programma di sperimentare altri materiali che potrebbero rivelarsi utili nel controllo della luce visibile.

I prossimi passi per il team sono esaminare da vicino le applicazioni del mondo reale di GSST e capire di cosa hanno bisogno quei sistemi in termini di potenza, dimensione, velocità di commutazione, e contrasto ottico.

"L'impatto [di questa ricerca] è duplice, " Hu dice. "I materiali a cambiamento di fase offrono un cambiamento dell'indice di rifrazione notevolmente migliorato rispetto ad altri effetti fisici, indotti dal campo elettrico o dal cambiamento di temperatura, per esempio, consentendo così dispositivi e circuiti ottici riprogrammabili estremamente compatti. La nostra dimostrazione della trasparenza ottica bistato in questi materiali è significativa anche in quanto ora possiamo creare componenti a infrarossi ad alte prestazioni con una perdita ottica minima." Il nuovo materiale, Hu continua, dovrebbe aprire uno spazio di progettazione completamente nuovo nel campo dell'ottica a infrarossi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.