Il progresso tecnologico delle lenti ottiche è stato a lungo un indicatore significativo dei risultati scientifici umani. Occhiali, telescopi, macchine fotografiche e microscopi ci hanno letteralmente e figurativamente permesso di vedere il mondo sotto una nuova luce. Le lenti sono anche una componente fondamentale della produzione di nanoelettronica da parte dell'industria dei semiconduttori.

Una delle scoperte di maggior impatto della tecnologia delle lenti nella storia recente è stata lo sviluppo di metasuperfici fotoniche, materiali su scala nanometrica ingegnerizzati artificialmente con notevoli proprietà ottiche. I ricercatori della Georgia Tech all'avanguardia in questa tecnologia hanno recentemente dimostrato la prima piattaforma di metasuperficie fotonica sintonizzabile elettricamente in un recente studio pubblicato da Nature Communications .

"Le metasuperfici possono rendere i sistemi ottici molto sottili e, man mano che diventano più facili da controllare e sintonizzare, le troverai presto nelle fotocamere dei telefoni cellulari e in sistemi di imaging elettronici simili", ha affermato Ali Adibi, professore presso la School of Electrical and Computer Engineering presso il Georgia Institute of Technology.

Le marcate misure di messa a punto ottenute attraverso la nuova piattaforma rappresentano un progresso fondamentale verso lo sviluppo di metasuperfici miniaturizzate riconfigurabili. I risultati dello studio hanno mostrato un cambiamento record di undici volte nelle proprietà riflettenti, un'ampia gamma di ottimizzazione spettrale per il funzionamento e una velocità di ottimizzazione molto più elevata.

Riscaldare le metasuperfici

Le metasuperfici sono una classe di materiali nanofotonici in cui un'ampia gamma di elementi miniaturizzati è progettata per influenzare la trasmissione e la riflessione della luce a frequenze diverse in modo controllato.

"Quando si osservano con microscopi molto potenti, le metasuperfici sembrano una serie periodica di perni", ha affermato Adibi. "L'analogia migliore sarebbe pensare a un modello LEGO formato collegando molti mattoncini LEGO simili uno accanto all'altro."

Sin dal loro inizio, le metasuperfici sono state utilizzate per dimostrare che dispositivi ottici molto sottili possono influenzare la propagazione della luce con i metalensi (la formazione di lenti sottili) che sono l'applicazione più sviluppata.

Nonostante i progressi impressionanti, la maggior parte delle metasuperfici dimostrate sono passive, il che significa che le loro prestazioni non possono essere modificate (o ottimizzate) dopo la fabbricazione. Il lavoro presentato da Adibi e dal suo team, guidato dal Ph.D. il candidato Sajjad Abdollahramezani, applica calore elettrico a una classe speciale di materiali nanofotonici per creare una piattaforma in grado di consentire la facile produzione di metasuperfici riconfigurabili con alti livelli di modulazione ottica.

I PCM forniscono la risposta

Un'ampia gamma di materiali può essere utilizzata per formare metasuperfici, inclusi metalli, ossidi e semiconduttori, ma la ricerca di Abdollahramezani e Adibi si concentra sui materiali a cambiamento di fase (PCM) perché possono formare le strutture più efficaci con le dimensioni delle caratteristiche più piccole. I PCM sono sostanze che assorbono e rilasciano calore durante il processo di riscaldamento e raffreddamento. Sono chiamati materiali "a cambiamento di fase" perché passano da uno stato di cristallizzazione all'altro durante il processo di ciclo termico. Il passaggio dell'acqua da liquido a solido o gas è l'esempio più comune.

Gli esperimenti del team Georgia Tech sono sostanzialmente più complicati del riscaldamento e del congelamento dell'acqua. Sapendo che le proprietà ottiche dei PCM possono essere alterate dal riscaldamento locale, hanno sfruttato tutto il potenziale della lega PCM Ge₂ Sb₂ Te₅ (GST), che è un composto di germanio, antimonio e tellurio.

Combinando il design ottico con un microriscaldatore elettrico miniaturizzato sottostante, il team può modificare la fase cristallina del GST per rendere possibile la messa a punto attiva del dispositivo della metasuperficie. Le metasuperfici fabbricate sono state sviluppate presso l'Institute for Electronics and Nanotechnology (IEN) della Georgia Tech e testate nei laboratori di caratterizzazione illuminando le metasuperfici riconfigurabili con luce laser a frequenze diverse e misurando le proprietà della luce riflessa in tempo reale.

Cosa significano le metasuperfici sintonizzabili per il futuro

Spinte dalla miniaturizzazione dei dispositivi e dall'integrazione del sistema, nonché dalla loro capacità di riflettere selettivamente diversi colori di luce, le metasuperfici stanno rapidamente sostituendo gli ingombranti gruppi ottici del passato. È previsto un impatto immediato su tecnologie come i sistemi LiDAR per auto a guida autonoma, imaging, spettroscopia e rilevamento.

Con l'ulteriore sviluppo, secondo Abdollahramezani e Adibi possono essere previste anche applicazioni più aggressive come l'informatica, la realtà aumentata, i chip fotonici per l'intelligenza artificiale e il rilevamento dei rischi biologici.

"Man mano che la piattaforma continua a svilupparsi, metasuperfici riconfigurabili si troveranno ovunque", ha affermato Adibi. "Consentiranno anche agli endoscopi più piccoli di andare in profondità all'interno del corpo per una migliore imaging e aiutare i sensori medici a rilevare diversi biomarcatori nel sangue". + Esplora ulteriormente

Metasuperfici e metadispositivi dinamici potenziati dal grafene