Polarizzazione, la direzione in cui vibra la luce, è invisibile all'occhio umano. Ancora, gran parte del nostro mondo ottico si basa sul controllo e sulla manipolazione di questa qualità nascosta della luce.

I materiali che possono manipolare la polarizzazione della luce, noti come materiali birifrangenti, sono utilizzati in tutto, dalle sveglie digitali alla diagnostica medica, comunicazioni e astronomia.

Proprio come la polarizzazione della luce può vibrare lungo una linea retta o un'ellisse, i materiali possono anche essere birifrangenti linearmente o ellitticamente. Oggi, la maggior parte dei materiali birifrangenti sono intrinsecamente lineari, il che significa che possono manipolare la polarizzazione della luce solo in modo limitato. Se vuoi ottenere un'ampia manipolazione della polarizzazione, è necessario impilare più materiali birifrangenti uno sopra l'altro, rendendo questi dispositivi ingombranti e inefficienti.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hanno progettato una metasuperficie che può essere continuamente sintonizzata dalla birifrangenza lineare a quella ellittica, aprendo l'intero spazio di controllo della polarizzazione con un solo dispositivo. Questa singola metasuperficie può operare altrettanti materiali birifrangenti in parallelo, consentendo una manipolazione della polarizzazione più compatta, che potrebbe avere applicazioni di vasta portata nell'imaging di polarizzazione, ottica quantistica, e altre aree.

La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .

"Si tratta di un nuovo tipo di materiale birifrangente, " disse Zhujun Shi, un ex studente laureato presso SEAS e primo autore del documento. "Siamo in grado di personalizzare l'ampio comportamento di polarizzazione di un materiale al di là di ciò che esiste naturalmente, che ha molti vantaggi pratici. Quello che un tempo richiedeva tre componenti birifrangenti convenzionali separati ora ne richiede solo uno".

"La capacità di manipolare una proprietà fondamentale della luce come la polarizzazione in modi completamente nuovi con un dispositivo compatto e multifunzionale avrà importanti applicazioni per l'ottica quantistica e le comunicazioni ottiche, " disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica presso SEAS e autore senior dell'articolo.

Le metasuperfici sono array di nanopillar distanziati a meno di una lunghezza d'onda l'uno dall'altro che possono svolgere una serie di compiti, compresa la manipolazione della fase, ampiezza e polarizzazione della luce. Nel passato, Capasso e il suo team hanno progettato da zero queste superfici altamente ordinate, utilizzando forme geometriche semplici con solo pochi parametri di progettazione.

In questa ricerca, però, il team si è rivolto a un nuovo tipo di tecnica di progettazione nota come ottimizzazione topologica.

"L'ottimizzazione topologica è un approccio inverso, " ha detto Shi. "Inizi con ciò che vuoi che faccia la metasuperficie e poi permetti all'algoritmo di esplorare l'enorme spazio dei parametri per sviluppare un modello che possa svolgere al meglio quella funzione."

Il risultato è stato sorprendente. Invece di pilastri rettangolari ordinati in piedi come soldatini, questa metasuperficie è composta da semicerchi annidati che ricordano faccine sorridenti storte, più simili a qualcosa che disegnerebbe un bambino che a un computer.

Ma queste strane forme hanno aperto un mondo completamente nuovo di birifrangenza. Non solo possono ottenere ampie manipolazioni di polarizzazione come trasformare la polarizzazione lineare in qualsiasi polarizzazione ellittica desiderata, ma la polarizzazione può anche essere sintonizzata modificando l'angolo della luce in arrivo.

"Il nostro approccio ha una vasta gamma di potenziali applicazioni nell'industria e nella ricerca scientifica, compresa la correzione dell'aberrazione di polarizzazione nei sistemi ottici avanzati, " disse Capasso.