Le proprietà ottiche di un materiale sono determinate principalmente dai suoi atomi ed elettroni costituenti e dal modo in cui questi rispondono alle onde elettromagnetiche. Nei materiali naturali, la diversità delle possibili caratteristiche ottiche è limitata, e così i metamateriali, strutture artificiali progettate per controllare la propagazione della luce, offrono speranza per una pletora di nuove applicazioni ottiche.

Arseniy Kuznetsov e Boris Luk'yanchuk presso l'A*STAR Data Storage Institute, Singapore, e i loro collaboratori, hanno ora creato un nuovo tipo di metamateriale tridimensionale che può influenzare sia la parte elettrica che quella magnetica della luce visibile. Il loro approccio fornisce un percorso semplice per costruire dispositivi insoliti come mantelli ottici, che consentono "l'invisibilità", e iperlenti che offrono una super risoluzione.

I metamateriali sono array di strutture metalliche a lunghezza d'onda inferiori chiamate meta-atomi, che sono stati progettati per imitare gli atomi e la loro interazione con la luce. "I metamateriali forniscono una nuova via per controllare la luce su scala nanometrica, " spiega Luk'yanchuk. "Apriranno la strada a nuovi elementi ottici con funzionalità uniche che non possono essere raggiunte con materiali naturali".

Un approccio comune adottato dai ricercatori di metamateriali ottici è quello di costruire meta-atomi da anelli di metallo che contengono ciascuno una piccola rottura. Questi cosiddetti risonatori ad anello diviso devono avere una dimensione di poche centinaia di nanometri o meno per funzionare con la luce visibile, ed eventuali imperfezioni fisiche limitano fortemente le loro prestazioni.

Anche la progettazione di un risonatore ad anello diviso con le proprietà elettriche e magnetiche necessarie per interagire con questi due diversi componenti delle onde elettromagnetiche si è rivelata una sfida. "La risonanza magnetica alle frequenze visibili non potrebbe essere ottenuta con lo standard, modelli di risonatore ad anello diviso piatto, " dice Luk'yanchuk.

Ora, Kuznetsov e il team di Luk'yanchuk hanno dimostrato che una versione tridimensionale di questa struttura, il risonatore a sfera divisa, potrebbe portare a metamateriali quasi impeccabili con una forte risposta elettrica e magnetica.

Utilizzando tecniche di nanofabbricazione standard, i ricercatori hanno prima creato una serie di dischi d'oro o d'argento su un substrato. Hanno quindi sparato un laser ad alta potenza su ciascun disco in modo che si fondesse per formare una gocciolina liquida, che si solidificava in una sfera perfetta, eliminando così i difetti. Finalmente, il team ha utilizzato un raggio di ioni di elio per incidere una fossa in ciascuna nanosfera (vedi immagine).

I ricercatori hanno confermato che i loro risonatori a sfera divisa hanno mostrato una risonanza magnetica all'interno dello spettro visibile, dimostrando una capacità rafforzata di "sintonizzare" le risposte ottiche dei metamateriali.

Nel futuro, i ricercatori potrebbero usare lo stesso metodo per modellare caratteristiche tridimensionali più complicate sui meta-atomi, che consentirebbe modi ancora più complessi di manipolare la luce.