Le metasuperfici compatte e leggere, che utilizzano nanostrutture specificamente progettate e modellate su una superficie piana per focalizzare, modellare e controllare la luce, sono una tecnologia promettente per le applicazioni indossabili, in particolare i sistemi di realtà virtuale e aumentata. Oggi, i team di ricerca progettano scrupolosamente il modello specifico delle nanostrutture sulla superficie per ottenere la funzione desiderata dell'obiettivo, sia che si tratti di risolvere le caratteristiche su scala nanometrica, di produrre contemporaneamente diverse immagini di percezione della profondità o di focalizzare la luce indipendentemente dalla polarizzazione.

Se i metalens verranno utilizzati commercialmente nei sistemi AR e VR, sarà necessario aumentarli in modo significativo, il che significa che il numero di nanopillari sarà di miliardi. Come possono i ricercatori progettare qualcosa di così complesso? È qui che entra in gioco l'intelligenza artificiale.

In un recente articolo, pubblicato su Nature Communications , un team di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha descritto un nuovo metodo per la progettazione di metasuperfici su larga scala che utilizza tecniche di intelligenza artificiale per generare automaticamente progetti .

"Questo articolo getta le basi e l'approccio di progettazione che può influenzare molti dispositivi del mondo reale", ha affermato Federico Capasso, professore di fisica applicata di Robert L. Wallace e ricercatore senior di Vinton Hayes in ingegneria elettrica presso SEAS e autore senior dell'articolo. "I nostri metodi consentiranno nuovi progetti di metasuperfici che possono avere un impatto sulla realtà virtuale o aumentata, sulle auto a guida autonoma e sulla visione artificiale per i sistemi e i satelliti imbarcati."

Finora, i ricercatori avevano bisogno di anni di conoscenza ed esperienza nel campo per progettare una metasuperficie.

"Siamo stati guidati da una progettazione basata sull'intuizione, facendo molto affidamento sulla propria formazione in fisica, che è stata limitata nel numero di parametri che possono essere considerati contemporaneamente, limitati come siamo dalla capacità della memoria di lavoro umana", ha affermato Zhaoyi Li, un ricercatore associato presso SEAS e co-autore principale del documento.

Per superare queste limitazioni, il team ha insegnato a un programma per computer la fisica della progettazione della metasuperficie. Il programma utilizza le basi della fisica per generare automaticamente progetti di metasuperfici, progettando da milioni a miliardi di parametri contemporaneamente.

Questo è un processo di progettazione inverso, il che significa che i ricercatori iniziano con una funzione desiderata dei metalli, come una lente in grado di correggere l'aberrazione cromatica, e il programma trova le migliori geometrie di progettazione per raggiungere tale obiettivo utilizzando i suoi algoritmi di calcolo.

"Lasciare che un computer prenda una decisione è intrinsecamente spaventoso, ma abbiamo dimostrato che il nostro programma può fungere da bussola, indicando la strada per il design ottimale", ha affermato Raphaël Pestourie, associato post-dottorato al MIT e co-autore principale dell'articolo. "Inoltre, l'intero processo di progettazione richiede meno di un giorno utilizzando un laptop a CPU singola, rispetto all'approccio precedente, che richiederebbe mesi per simulare una singola metasuperficie di 1 cm di diametro che lavora nello spettro visibile della luce."

"Si tratta di un aumento di ordini di grandezza nella scala della progettazione inversa per dispositivi fotonici nanostrutturati, generando dispositivi di decine di migliaia di lunghezze d'onda di diametro rispetto a centinaia nei lavori precedenti, e apre nuove classi di applicazioni per la scoperta computazionale", ha affermato Steven G. Johnson, professore di matematica applicata e fisica al MIT e co-autore corrispondente dell'articolo.

Sulla base del nuovo approccio, il team di ricerca ha progettato e fabbricato un metaoculare RGB-acromatico in scala centimetrica, insensibile alla polarizzazione, per una piattaforma di realtà virtuale (VR).

"La nostra piattaforma VR presentata si basa su un meta-oculare e un micro-LCD retroilluminato laser, che offre molte caratteristiche desiderabili, tra cui compattezza, leggerezza, alta risoluzione, ampia gamma di colori e altro", ha affermato Li. "Riteniamo che la metasuperficie, una forma di ottica piatta, apra un nuovo percorso per rimodellare il futuro della realtà virtuale."

La ricerca è co-autrice di Joon-Suh Park e Yao-Wei Huang. + Esplora ulteriormente

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