I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un metodo per la produzione di superfici ondulate con precisione nanometrica. In futuro questo metodo potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per rendere ancora più efficienti e compatti i componenti ottici per la trasmissione dati su internet.

L'importanza delle tecnologie basate sulla luce per la nostra società è stata dimostrata ancora una volta nelle ultime settimane. Grazie a Internet, milioni di persone possono lavorare da remoto, entrare nelle aule virtuali, o parlare con amici e parenti. Internet, a sua volta, deve la sua potenza agli innumerevoli impulsi luminosi con i quali enormi quantità di dati vengono inviate in tutto il mondo tramite fibre ottiche.

Per guidare e controllare questi impulsi luminosi, vengono impiegate diverse tecnologie. Uno dei più antichi e importanti è il reticolo di diffrazione, che devia la luce di diversi colori in direzioni precisamente determinate. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di migliorare la progettazione e la produzione di reticoli di diffrazione per renderli adatti alle complesse applicazioni odierne. Al Politecnico di Zurigo, un gruppo di ricercatori guidati da David Norris, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e di Processo, hanno sviluppato un metodo completamente nuovo mediante il quale è possibile produrre reticoli di diffrazione più efficienti e precisi. Lo hanno fatto insieme ai colleghi ora dell'Università di Utrecht e della società Heidelberg Instruments Nano, che è stata fondata come spin-off dell'ETH SwissLitho. I ricercatori hanno pubblicato i risultati sulla rivista scientifica Natura .

Interferenza attraverso scanalature

I reticoli di diffrazione si basano sul principio dell'interferenza. Quando un'onda luminosa colpisce una superficie scanalata, si divide in tante onde più piccole, ciascuno proveniente da un solco individuale. Quando queste onde lasciano la superficie, possono sommarsi o annullarsi a vicenda, a seconda della direzione in cui viaggiano e della loro lunghezza d'onda (che è correlata al loro colore). Questo spiega perché la superficie di un CD, su cui i dati sono memorizzati in minuscoli solchi, genera un arcobaleno di colori riflessi quando è illuminato da luce bianca.

Affinché un reticolo di diffrazione funzioni correttamente, le sue scanalature devono avere una separazione simile alla lunghezza d'onda della luce, che è circa un micrometro, cento volte più piccolo della larghezza di un capello umano. "Tradizionalmente, quelle scanalature sono incise nella superficie di un materiale utilizzando tecniche di produzione dell'industria microelettronica, "dice Nolan Lassaline, un dottorato di ricerca studente del gruppo di Norris e primo autore dello studio. "Questo significa, però, che le scanalature della griglia sono di forma piuttosto quadrata. D'altra parte, la fisica ci dice che dovremmo avere scanalature con uno schema liscio e ondulato, come le increspature di un lago." Le scanalature realizzate con metodi tradizionali possono, perciò, essere solo approssimazioni approssimative, il che a sua volta significa che il reticolo di diffrazione dirigerà la luce in modo meno efficiente. Perseguendo un approccio completamente nuovo Norris ei suoi collaboratori hanno ora scoperto una soluzione a questo problema.

Modellazione della superficie con una sonda a caldo

Il loro approccio si basa su una tecnologia che ha le sue origini anche a Zurigo. "Il nostro metodo è un pronipote del microscopio a effetto tunnel, inventato quasi quarant'anni fa da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, che in seguito avrebbe vinto il Premio Nobel per il loro lavoro, " dice Norris. In un simile microscopio, le superfici del materiale vengono scansionate dalla punta affilata di una sonda ad alta risoluzione. Le immagini risultanti da tale scansione possono anche mostrare i singoli atomi di un materiale.

Al contrario, però, si può anche usare la punta affilata per modellare un materiale e produrre così superfici ondulate. Fare così, i ricercatori riscaldano la punta di una sonda di scansione a quasi 1000 gradi centigradi e la premono in una superficie polimerica in determinati punti. Ciò fa sì che le molecole del polimero si rompano ed evaporino in quei punti, permettendo alla superficie di essere scolpita con precisione. In questo modo, gli scienziati possono scrivere profili di superficie quasi arbitrari punto per punto nello strato polimerico con una risoluzione di pochi nanometri. Finalmente, il motivo viene trasferito su un materiale ottico depositando uno strato di argento sul polimero. Lo strato d'argento può quindi essere staccato dal polimero e utilizzato come reticolo di diffrazione riflettente.

"Questo ci consente di produrre reticoli di diffrazione di forma arbitraria con una precisione di poche distanze atomiche nello strato d'argento, " dice Norris. A differenza delle tradizionali scanalature quadrate, tali reticoli non sono più approssimazioni, ma praticamente perfetto e può essere modellato in modo tale che l'interferenza delle onde luminose riflesse crei schemi controllabili con precisione.

Una varietà di applicazioni

Tali grate perfette consentono nuove possibilità di controllo della luce, che ha una vasta gamma di applicazioni, afferma Norris:"La nuova tecnologia può essere utilizzata, ad esempio, costruire minuscoli reticoli di diffrazione in circuiti integrati con cui inviare segnali ottici per Internet, ricevuto e indirizzato in modo più efficiente." Lassaline aggiunge, "In genere, possiamo usare tali reticoli di diffrazione per realizzare dispositivi ottici altamente miniaturizzati come micro-laser su chip." Quei dispositivi miniaturizzati, lui dice, spazia da obiettivi per fotocamere ultrasottili a ologrammi compatti con immagini più nitide. Promettono un ampio impatto nelle tecnologie ottiche come fotocamere futuristiche per smartphone, biosensori, o visione autonoma per robot e auto a guida autonoma".