Quattro metalensi ultrasottili sviluppati dai ricercatori dell'Università di Washington e visualizzati al microscopio. Credito:Liu et al., Nano lettere, 2018
In ottica, l'era delle lenti in vetro potrebbe essere al tramonto.
Negli ultimi anni, fisici e ingegneri hanno progettato, costruire e testare diversi tipi di materiali ultrasottili che potrebbero sostituire le lenti in vetro spesso utilizzate oggi nelle fotocamere e nei sistemi di imaging. criticamente, queste lenti ingegnerizzate, note come metalenses, non sono fatte di vetro. Anziché, sono costituiti da materiali costruiti su scala nanometrica in matrici di colonne o strutture simili a pinne. Queste formazioni possono interagire con la luce in arrivo, indirizzandolo verso un unico punto focale per scopi di imaging.
Ma anche se i metalli sono molto più sottili delle lenti di vetro, si affidano ancora a strutture ad "alte proporzioni", in cui le strutture a colonna o a forma di pinna sono molto più alte che larghe, rendendoli inclini a crollare e cadere. Per di più, queste strutture sono sempre state vicine alla lunghezza d'onda della luce con cui interagiscono in spessore, fino ad ora.
In un articolo pubblicato l'8 ottobre sulla rivista Nano lettere , un team dell'Università di Washington e della National Tsing Hua University di Taiwan ha annunciato di aver costruito metalli funzionali che sono da un decimo a metà dello spessore delle lunghezze d'onda della luce che focalizzano. I loro metalensi, che sono stati costruiti con materiali 2-D stratificati, erano sottili come 190 nanometri, meno di 1/100, 000esimi di pollice di spessore.
"Questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato che è possibile creare un metallo con materiali 2-D, " ha detto l'autore senior e co-corrispondente Arka Majumdar, un assistente universitario di fisica e di ingegneria elettrica e informatica.
I loro principi di progettazione possono essere utilizzati per la creazione di metalli con più complessi, funzioni sintonizzabili, ha aggiunto Majumdar, che è anche un ricercatore di facoltà presso il Molecular Engineering &Sciences Institute dell'UW.
Una lettera maiuscola W ripresa da tre diversi prototipi di metalense (A, B e C) utilizzando diversi modelli matematici, sia senza (a sinistra) che con (a destra) post-elaborazione computazionale. Credito:Liu et al., Nano lettere, 2018
Il team di Majumdar studia da anni i principi di progettazione dei metalenses, e metalenses precedentemente costruiti per l'imaging a colori. Ma la sfida in questo progetto è stata quella di superare un limite di progettazione intrinseco nei metalli:affinché un materiale in metallo interagisca con la luce e raggiunga una qualità di imaging ottimale, il materiale doveva avere all'incirca lo stesso spessore della lunghezza d'onda della luce in quel materiale. In termini matematici, questa restrizione garantisce che sia possibile ottenere un intervallo di sfasamento completo da zero a due pi, che garantisce la progettazione di qualsiasi elemento ottico. Per esempio, un metalens per un'onda luminosa di 500 nanometri, che nello spettro visivo è luce verde, dovrebbe avere uno spessore di circa 500 nanometri, sebbene questo spessore possa diminuire all'aumentare dell'indice di rifrazione del materiale.
Majumdar e il suo team sono stati in grado di sintetizzare metalli funzionali molto più sottili di questo limite teorico, da un decimo a metà della lunghezza d'onda. Primo, hanno costruito i metalli con fogli di materiali bidimensionali stratificati. Il team ha utilizzato materiali 2-D ampiamente studiati come il nitruro di boro esagonale e il disolfuro di molibdeno. Un singolo strato atomico di questi materiali fornisce uno sfasamento molto piccolo, inadatto per lenti efficienti. Quindi il team ha utilizzato più strati per aumentare lo spessore, anche se lo spessore è rimasto troppo piccolo per raggiungere uno sfasamento completo di due pi.
"Dovevamo iniziare a capire quale tipo di progetto avrebbe dato le migliori prestazioni data la fase incompleta, " ha detto il co-autore Jiajiu Zheng, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica.
Per compensare il deficit, il team ha impiegato modelli matematici originariamente formulati per l'ottica a cristalli liquidi. Queste, in combinazione con gli elementi strutturali in metallo, ha permesso ai ricercatori di raggiungere un'elevata efficienza anche se l'intero sfasamento non è coperto. Hanno testato l'efficacia dei metalli usandoli per catturare diverse immagini di prova, inclusa la Gioconda e una lettera maiuscola W. Il team ha anche dimostrato come allungare i metalli potrebbe regolare la lunghezza focale dell'obiettivo.
Oltre a raggiungere un approccio completamente nuovo al design dei metalli a livelli record, il team ritiene che i suoi esperimenti mostrino la promessa di realizzare nuovi dispositivi per l'imaging e l'ottica interamente con materiali 2-D.
"Questi risultati aprono una piattaforma completamente nuova per lo studio delle proprietà dei materiali 2-D, oltre a costruire dispositivi nanofotonici completamente funzionali realizzati interamente con questi materiali, " disse Majumdar. Inoltre, questi materiali possono essere facilmente trasferiti su qualsiasi supporto, compresi i materiali flessibili, aprendo la strada alla fotonica flessibile.
