I circuiti ottici sono destinati a rivoluzionare le prestazioni di molti dispositivi. Non solo sono da 10 a 100 volte più veloci dei circuiti elettronici, ma consumano anche molta meno energia. All'interno di questi circuiti, le onde luminose sono controllate da superfici estremamente sottili chiamate metasuperfici che concentrano le onde e le guidano secondo necessità. Le metasuperfici contengono nanoparticelle regolarmente distanziate che possono modulare le onde elettromagnetiche su scale di lunghezza d'onda sub-micrometriche.

Le metasuperfici potrebbero consentire agli ingegneri di realizzare circuiti fotonici flessibili e ottiche ultrasottili per una serie di applicazioni, che vanno dai tablet flessibili ai pannelli solari con caratteristiche di assorbimento della luce migliorate. Potrebbero anche essere utilizzati per creare sensori flessibili da posizionare direttamente sulla pelle del paziente, Per esempio, per misurare cose come il polso e la pressione sanguigna o per rilevare composti chimici specifici.

Il problema è che la creazione di metasuperfici utilizzando il metodo convenzionale, litografia, è un processo fastidioso che richiede diverse ore e deve essere eseguito in una camera bianca. Ma gli ingegneri EPFL del Laboratorio di materiali fotonici e dispositivi in ​​fibra (FIMAP) hanno ora sviluppato un metodo semplice per realizzarli in pochi minuti a basse temperature, o talvolta anche a temperatura ambiente, senza bisogno di una camera bianca. Il metodo della School of Engineering dell'EPFL produce metasuperfici in vetro dielettrico che possono essere rigide o flessibili. I risultati della loro ricerca appaiono in Nanotecnologia della natura .

Trasformare una debolezza in un punto di forza

Il nuovo metodo utilizza un processo naturale già utilizzato nella meccanica dei fluidi:la deumidificazione. Ciò si verifica quando un sottile film di materiale viene depositato su un substrato e quindi riscaldato. Il calore fa sì che il film si ritragga e si rompa in minuscole nanoparticelle. "La deumidificazione è vista come un problema nella produzione, ma abbiamo deciso di usarla a nostro vantaggio, "dice Fabien Sorin, l'autore principale dello studio e il capo di FIMAP.

Con il loro metodo, gli ingegneri sono stati in grado di creare metasuperfici in vetro dielettrico, piuttosto che metasuperfici metalliche, per la prima volta. Il vantaggio delle metasuperfici dielettriche è che assorbono pochissima luce e hanno un alto indice di rifrazione, permettendo di modulare la luce che si propaga attraverso di essi.

Per costruire queste metasuperfici, gli ingegneri hanno prima creato un substrato strutturato con l'architettura desiderata. Quindi depositarono un materiale, in questo caso, vetro calcogenuro, in film sottili di appena decine di nanometri di spessore. Il substrato è stato successivamente riscaldato per un paio di minuti fino a quando il vetro è diventato più fluido e hanno iniziato a formarsi nanoparticelle nelle dimensioni e nelle posizioni dettate dalla trama del substrato.

Il metodo è così efficiente che può produrre metasuperfici altamente sofisticate con diversi livelli di nanoparticelle o con matrici di nanoparticelle distanziate di 10 nm. Ciò rende le metasuperfici altamente sensibili ai cambiamenti delle condizioni ambientali, ad esempio per rilevare la presenza di concentrazioni anche molto basse di bioparticelle. "Questa è la prima volta che la deumidificazione è stata utilizzata per creare metasuperfici in vetro. Il vantaggio è che le nostre metasuperfici sono lisce e regolari, e può essere facilmente prodotto su grandi superfici e substrati flessibili, "dice Sorin.