Gli ingegneri e i colleghi del MIT segnalano nuovi importanti progressi su una metasuperficie sintonizzabile, o dispositivo ottico piatto modellato con strutture su scala nanometrica, che sono paragonabili a un coltellino svizzero mentre il suo predecessore passivo può essere pensato come un solo strumento, come un cacciavite a lama piatta. La chiave del lavoro è un materiale trasparente scoperto dal team che cambia rapidamente e in modo reversibile la sua struttura atomica in risposta al calore.

"Le applicazioni aperte dalla capacità di riconfigurare rapidamente le metasuperfici sono enormi, "dice Yifei Zhang, primo autore di un articolo che riporta gli ultimi progressi in un recente numero di Nanotecnologia della natura . Zhang è uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE). "Siamo entusiasti perché il lavoro attuale supera diversi ostacoli per implementare queste metasuperfici nelle applicazioni del mondo reale".

Dice il professore associato Arka Majumdar dell'Università di Washington, Seattle, di quelle applicazioni:"Immagino [che] questa tecnologia potrebbe rivoluzionare le reti neurali ottiche, rilevamento della profondità, e la tecnologia Lidar per le auto a guida autonoma." Majumdar non è stato coinvolto nella ricerca.

Interruttore elettrico

Nel Nanotecnologia della natura carta, i ricercatori del MIT descrivono l'utilizzo di correnti elettriche per modificare in modo reversibile la struttura del materiale, e quindi le proprietà ottiche, della nuova metasuperficie. Nel passato, usavano laser ingombranti o una fornace per fornire il calore necessario. "Questo è importante perché ora possiamo integrare l'intero dispositivo ottico attivo, insieme all'interruttore elettrico, su un chip di silicio per formare una piattaforma ottica miniaturizzata, "dice Juejun Hu, capofila del lavoro e Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali in DMSE.

Il team riferisce anche di aver dimostrato "una serie di funzioni ottiche sintonizzabili utilizzando la piattaforma, " Hu dice. Questi includono un dispositivo di orientamento del raggio in cui "commutando il materiale in diverse strutture [interne], possiamo inviare luce in una direzione piuttosto che in un'altra, avanti e indietro." Lo sterzo a raggio è la chiave per le auto a guida autonoma, anche se Hu sottolinea che il dispositivo che lui e i colleghi hanno dimostrato è ancora abbastanza rudimentale. "È più una prova di principio."

Oltre a Zhang e Hu, autori del nuovo articolo sono Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff Jones, Carlos Rios, e Tian Gu, tutto il MIT DMSE; Clayton Fowler, Senong An, e Hualiang Zhang dell'Università del Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, e Vladimir Liberman del MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang e Kathleen A. Richardson della University of Central Florida, e Clara Rivero-Baleine della Lockheed Martin Corporation. Hu e Gu sono anche affiliati al Materials Research Laboratory del MIT.

Un nuovo materiale

I materiali a cambiamento di fase (PCM) cambiano la loro struttura in risposta al calore. Sono usati commercialmente in CD e DVD riscrivibili. spiega Hu, "un raggio laser modifica localmente la struttura del materiale, da amorfo a cristallino, e quel cambiamento può essere usato per codificare uno e zero, informazioni digitali".

Però, i PCM convenzionali hanno dei limiti quando si tratta di applicazioni ottiche. Per uno, sono opachi. Non lasciano passare la luce. "Questo ci ha motivato a esaminare un nuovo materiale a cambiamento di fase per dispositivi ottici che sia trasparente, " dice Hu. All'inizio di quest'anno il suo team ha riferito che aggiungendo un altro elemento, selenio, a un PCM convenzionale ha funzionato.

Il nuovo materiale, composto da germanio, selenio, antimonio, e tellurio (GSST), è la chiave per la nuova metasuperficie. La metasuperficie, a sua volta, non è solo un film sottile di GSST, è un film di GSST di circa mezzo millimetro quadrato modellato con circa 100, 000 strutture su scala nanometrica. E questi, a sua volta, "consentono di controllare la propagazione della luce. In questo modo è possibile trasformare una raccolta di queste nanostrutture in, Per esempio, una lente, " dice Hu.

Harish Bhaskaran è un professore dell'Università di Oxford che non è stato coinvolto nella ricerca. Ha commentato il lavoro nel suo insieme e i progressi riportati nel nuovo documento:

"Questa è un'area di lavoro molto importante in quanto tali metasuperfici sintonizzabili, cioè., superfici in grado di modulare la riflessione della luce anche se nominalmente 'piatte' o molto sottili, sono estremamente interessanti. Possono ridurre drasticamente l'ingombro delle lenti, che ovviamente vengono utilizzati in tutto ciò che manipola la luce. L'uso [del MIT] di materiali a cambiamento di fase a bassa perdita (cioè, assorbono pochissima luce) fornisce un vero percorso verso la realizzazione di questo. Gli autori sono anche tra i primi a mostrare la messa a punto dinamica mediante riscaldatori controllati elettricamente." (Nello stesso numero di Nanotecnologia della natura un team di Stanford riferisce anche di controllare le metasuperfici con riscaldamento elettrico utilizzando un approccio diverso.)

Secondo un articolo di News &Views nello stesso numero di Nanotecnologia della natura sui progressi del MIT e di Stanford, "questi lavori fanno un passo avanti nelle metasuperfici sintonizzabili basate su PCM". Però, gli autori di News &Views sottolineano che entrambi gli approcci presentano degli svantaggi.

Il team Hu sta affrontando alcuni di questi inconvenienti. Per esempio, il riscaldatore utilizzato nella loro piattaforma ottica miniaturizzata è attualmente in metallo. Ma "i metalli sono problematici per l'ottica, perché assorbono la luce, " Hu dice. "Stiamo lavorando su un nuovo riscaldatore in silicone che è trasparente."

Hu descrive il lavoro nel complesso come particolarmente entusiasmante perché è iniziato con la scoperta di un nuovo materiale che il team ha poi progettato per una nuova applicazione. "Questo va dall'innovazione dei materiali all'integrazione dei dispositivi, che penso sia piuttosto unico."

Il lavoro è stato sostenuto dalla US Defense Advanced Research Projects Agency e dalla US Air Force. I ricercatori riconoscono anche l'uso delle strutture fornite dal MIT Materials Research Laboratory, i laboratori di tecnologia dei microsistemi del MIT, e l'Harvard University Center for Nanoscale Systems.