I metalensi sono stati utilizzati per visualizzare le caratteristiche microscopiche dei tessuti e risolvere dettagli più piccoli di una lunghezza d'onda della luce. Ora stanno diventando più grandi.
I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un vetro metallico di 10 centimetri di diametro in grado di riprodurre immagini del sole, della luna e delle nebulose lontane con alta risoluzione. Si tratta dei primi metalli su larga scala interamente in vetro nella lunghezza d'onda visibile che possono essere prodotti in serie utilizzando la tecnologia di fabbricazione CMOS convenzionale.
La ricerca è pubblicata su ACS Nano .
"La capacità di controllare accuratamente la dimensione di decine di miliardi di nanopilastri su una lente piatta di dimensioni senza precedenti utilizzando processi di fonderia di semiconduttori all'avanguardia è un'impresa di nanofabbricazione che apre nuove entusiasmanti opportunità per la scienza e la tecnologia spaziale", ha affermato Federico Capasso , Robert L. Wallace professore di fisica applicata e Vinton Hayes ricercatore senior in ingegneria elettrica presso la SEAS e autore senior dell'articolo.
La maggior parte dei metallenti piatti, che utilizzano milioni di nanostrutture simili a pilastri per focalizzare la luce, hanno all'incirca le dimensioni di un pezzo di glitter. Nel 2019, Capasso e il suo team hanno sviluppato un metalens su scala centimetrica utilizzando una tecnica chiamata litografia di proiezione ultravioletta profonda (DUV), che proietta e forma un modello di nanostruttura che può essere inciso direttamente nel wafer di vetro, eliminando le lunghe operazioni di scrittura e scrittura. processi di deposizione richiesti per i metalensi precedenti.
La litografia di proiezione DUV è comunemente utilizzata per modellare linee e forme sottili nei chip di silicio per smartphone e computer. Joon-Suh Park, ex studente laureato presso la SEAS e attuale ricercatore post-dottorato nel team di Capasso, ha dimostrato che la tecnica potrebbe essere utilizzata non solo per produrre in serie metallenti, ma anche per aumentarne le dimensioni per applicazioni nella realtà virtuale e aumentata.
Ma rendere i metalli ancora più grandi per applicazioni in astronomia e nelle comunicazioni ottiche nello spazio libero ha posto un problema di ingegneria.
"C'è una limitazione importante con lo strumento di litografia perché questi strumenti vengono utilizzati per creare chip di computer, quindi la dimensione del chip è limitata a non più di 20-30 millimetri", ha affermato Park, co-autore dell'articolo. "Per realizzare un obiettivo da 100 millimetri di diametro, dovevamo trovare un modo per aggirare questa limitazione."
Park e il team hanno sviluppato una tecnica per unire diversi modelli di nanopilastri utilizzando lo strumento di litografia a proiezione DUV. Dividendo la lente in 25 sezioni ma utilizzando solo le sette sezioni di un quadrante considerando la simmetria rotazionale, i ricercatori hanno dimostrato che la litografia di proiezione DUV potrebbe modellare 18,7 miliardi di nanostrutture progettate su un'area circolare di 10 centimetri in pochi minuti.
Il team ha inoltre sviluppato una tecnica di incisione verticale del vetro che consente la creazione di nanopilastri con pareti lisce e con proporzioni elevate incisi nel vetro.
"Utilizzando la stessa litografia di proiezione DUV, si potrebbero produrre meta-ottiche di grande diametro con correzione delle aberrazioni o anche lenti più grandi su wafer di vetro di diametro maggiore man mano che i corrispondenti strumenti di fonderia CMOS diventeranno sempre più disponibili nel settore", ha affermato Soon Wei Daniel Lim, un borsista post-dottorato presso la SEAS e co-primo autore dell'articolo.
Lim ha svolto un ruolo guida nella simulazione completa e nella caratterizzazione di tutti i possibili errori di fabbricazione che potrebbero verificarsi durante i processi di produzione di massa e del modo in cui potrebbero influire sulle prestazioni ottiche delle lenti metalliche.
Dopo aver affrontato le possibili sfide di produzione, i ricercatori hanno dimostrato il potere dei metalli nell'imaging di oggetti celesti.
Montando i metalli su un treppiede con un filtro colorato e un sensore fotografico, Park e il team si sono recati sul tetto del Science Center di Harvard. Lì, hanno fotografato il sole, la luna e la nebulosa Nord America, una nebulosa debole nella costellazione del Cigno a circa 2.590 anni luce di distanza.
"Siamo stati in grado di ottenere immagini molto dettagliate del sole, della luna e della nebulosa, paragonabili alle immagini scattate con obiettivi convenzionali", ha affermato Arman Amirzhan, uno studente laureato del Capasso Lab e coautore dell'articolo.
Utilizzando solo i metalli, i ricercatori sono stati in grado di immaginare lo stesso gruppo di macchie solari di un'immagine della NASA scattata lo stesso giorno.
Il team ha inoltre dimostrato che l'obiettivo potrebbe sopravvivere all'esposizione al caldo estremo, al freddo estremo e alle intense vibrazioni che si verificherebbero durante un lancio nello spazio senza alcun danno o perdita di prestazioni ottiche.
Grazie alle sue dimensioni e alla composizione monolitica del vetro, l'obiettivo potrebbe essere utilizzato anche per telecomunicazioni a lungo raggio e applicazioni di trasporto diretto dell'energia.
Ulteriori informazioni: Joon-Suh Park et al, Metalens visibili interamente in vetro da 100 mm di diametro per l'imaging del cosmo, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09462
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dalla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
