I ricercatori di fotonica della Rice University hanno creato una tecnologia potenzialmente dirompente per il mercato dell'ottica ultravioletta.

Incidendo con precisione centinaia di minuscoli triangoli sulla superficie di una pellicola microscopica di ossido di zinco, la pioniera della nanofotonica Naomi Halas e colleghi hanno creato un "metalens" che trasforma i raggi UV a onde lunghe (UV-A) in ingresso in un output mirato di UV sottovuoto (VUV ) radiazione. VUV è utilizzato nella produzione di semiconduttori, nella fotochimica e nella scienza dei materiali ed è stato storicamente costoso da utilizzare, in parte perché è assorbito da quasi tutti i tipi di vetro utilizzati per realizzare obiettivi convenzionali.

"Questo lavoro è particolarmente promettente alla luce delle recenti dimostrazioni che i produttori di chip possono aumentare la produzione di metasuperfici con processi compatibili con CMOS", ha affermato Halas, co-autore corrispondente di uno studio dimostrativo metalens pubblicato su Science Advances . "Questo è uno studio fondamentale, ma indica chiaramente una nuova strategia per la produzione ad alto rendimento di componenti e dispositivi ottici VUV compatti."

Il team di Halas ha mostrato che i suoi microscopici metalli possono convertire 394 nanometri UV in un output focalizzato di 197 nanometri VUV. Il metalens a forma di disco è un foglio trasparente di ossido di zinco più sottile di un foglio di carta e con un diametro di appena 45 milionesimi di metro. Nella dimostrazione, un laser UV-A da 394 nanometri è stato puntato sul retro del disco e i ricercatori hanno misurato la luce che emergeva dall'altro lato.

La co-prima autrice dello studio Catherine Arndt, una studentessa laureata in fisica applicata nel gruppo di ricerca di Halas, ha affermato che la caratteristica chiave del metalens è la sua interfaccia, una superficie frontale tempestata di cerchi concentrici di minuscoli triangoli.

"L'interfaccia è dove sta accadendo tutta la fisica", ha detto. "In realtà stiamo impartendo uno spostamento di fase, cambiando sia la velocità con cui si muove la luce che la direzione in cui viaggia. Non dobbiamo raccogliere l'emissione di luce perché utilizziamo l'elettrodinamica per reindirizzarla all'interfaccia in cui la generiamo".

La luce viola ha la lunghezza d'onda più bassa visibile agli esseri umani. L'ultravioletto ha lunghezze d'onda ancora più basse, che vanno da 400 nanometri a 10 nanometri. Vacuum UV, con lunghezze d'onda comprese tra 100-200 nanometri, è così chiamato perché è fortemente assorbito dall'ossigeno. L'utilizzo della luce VUV oggi in genere richiede una camera a vuoto o un altro ambiente specializzato, nonché macchinari per generare e focalizzare VUV.

"I materiali convenzionali di solito non generano VUV", ha affermato Arndt. "Oggi è realizzato con cristalli non lineari, che sono ingombranti, costosi e spesso controllati dall'esportazione. Il risultato è che il VUV è piuttosto costoso."

In lavori precedenti, Halas, il fisico della Rice Peter Nordlander, ex Rice Ph.D. lo studente Michael Semmlinger e altri hanno dimostrato di poter trasformare un UV a 394 nanometri in un VUV a 197 nanometri con una metasuperficie di ossido di zinco. Come i metalens, la metasuperficie era una pellicola trasparente di ossido di zinco con una superficie modellata. Ma lo schema richiesto non era così complesso poiché non aveva bisogno di focalizzare l'emissione di luce, ha detto Arndt.

"I metalensi traggono vantaggio dal fatto che le proprietà della luce cambiano quando colpisce una superficie", ha detto. "Ad esempio, la luce viaggia più velocemente nell'aria che nell'acqua. Ecco perché si ottengono riflessi sulla superficie di uno stagno. La superficie dell'acqua è l'interfaccia e quando la luce solare colpisce l'interfaccia, una parte di essa si riflette. "

Il lavoro precedente ha mostrato che una metasuperficie potrebbe produrre VUV convertendo l'UV a onde lunghe tramite un processo di raddoppio della frequenza chiamato generazione della seconda armonica. Ma il VUV è costoso, in parte, perché è costoso da manipolare dopo che è stato prodotto. I sistemi disponibili in commercio per questo possono riempire armadi grandi come frigoriferi o auto compatte e costare decine di migliaia di dollari, ha affermato.

"Per un metalens, stai cercando sia di generare la luce che di manipolarla", ha detto Arndt. "Nel regime della lunghezza d'onda visibile, la tecnologia Metalens è diventata molto efficiente. Le cuffie per realtà virtuale la usano. Negli ultimi anni è stato dimostrato anche che Metalenses sia per lunghezze d'onda del visibile e dell'infrarosso, ma nessuno lo aveva fatto a lunghezze d'onda più corte. E molti materiali assorbono VUV. Quindi per noi è stata solo una sfida generale vedere 'Possiamo farlo?'"

Per realizzare i metalli, Arndt ha lavorato con l'autore corrispondente Din Ping Tsai della City University di Hong Kong, che ha contribuito a produrre l'intricata superficie dei metalli, e con tre co-primi autori:Semmlinger, che si è laureato alla Rice nel 2020, Ming Zhang, che si è laureato alla Rice nel 2021, e Ming Lun Tseng, assistente professore presso la National Yang Ming Chiao Tung University di Taiwan.

I test della Rice hanno mostrato che il metalens potrebbe concentrare la sua uscita di 197 nanometri su uno spot di 1,7 micron di diametro, aumentando la densità di potenza dell'emissione luminosa di 21 volte.

Arndt ha affermato che è troppo presto per dire se la tecnologia può competere con i sistemi VUV all'avanguardia.

"It's really fundamental at this stage," she said. "But it has a lot of potential. It could be made far more efficient. With this first study, the question was, 'Does it work?' In the next phase, we'll be asking, 'How much better can we make it?'" + Esplora ulteriormente

Record-breaking metalens could revolutionize optical technologies