Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del reticolo su scala nanometrica. Credito:California Institute of Technology
Un materiale nano-architettonico di nuova creazione mostra una proprietà che in precedenza era solo teoricamente possibile:può rifrangere la luce all'indietro, indipendentemente dall'angolo con cui la luce colpisce il materiale.
Questa proprietà è nota come rifrazione negativa e significa che l'indice di rifrazione, la velocità con cui la luce può viaggiare attraverso un determinato materiale, è negativo su una porzione dello spettro elettromagnetico a tutti gli angoli.
La rifrazione è una proprietà comune nei materiali; pensa al modo in cui una cannuccia in un bicchiere d'acqua appare spostata di lato o al modo in cui le lenti degli occhiali focalizzano la luce. Ma la rifrazione negativa non implica solo lo spostamento della luce di alcuni gradi su un lato. Piuttosto, la luce viene inviata con un angolo completamente opposto a quello in cui è entrata nella materia. Questo non è stato osservato in natura ma, a partire dagli anni '60, è stato teorizzato che si verificasse nei cosiddetti materiali artificialmente periodici, cioè materiali costruiti per avere uno schema strutturale specifico. Solo ora i processi di fabbricazione hanno raggiunto la teoria per trasformare in realtà la rifrazione negativa.
"La rifrazione negativa è fondamentale per il futuro della nanofotonica, che cerca di comprendere e manipolare il comportamento della luce quando interagisce con materiali o strutture solide alle scale più piccole possibili", afferma Julia R. Greer, professoressa Ruben F. e Donna Mettler del Caltech di Scienza dei Materiali, Meccanica e Ingegneria Medica e uno degli autori senior di un articolo che descrive il nuovo materiale. Il documento è stato pubblicato in Nano Letters il 21 ottobre.
Il nuovo materiale raggiunge le sue proprietà insolite attraverso una combinazione di organizzazione su scala nano e micro e l'aggiunta di un rivestimento di una sottile pellicola di germanio metallico attraverso un processo che richiede tempo e lavoro. Greer è un pioniere nella creazione di tali materiali nano-architettonici, o materiali la cui struttura è progettata e organizzata su scala nanometrica e che di conseguenza mostrano proprietà insolite, spesso sorprendenti, ad esempio ceramiche eccezionalmente leggere che tornano alla loro forma originale, come una spugna, dopo essere stata compressa.
Al microscopio elettronico, la struttura del nuovo materiale ricorda un reticolo di cubi cavi. Ogni cubo è così piccolo che la larghezza delle travi che compongono la struttura del cubo è 100 volte inferiore alla larghezza di un capello umano. Il reticolo è stato costruito utilizzando un materiale polimerico, con cui è relativamente facile lavorare nella stampa 3D, e quindi rivestito con il germanio metallico.
"La combinazione della struttura e del rivestimento conferisce al reticolo questa proprietà insolita", afferma Ryan Ng (MS '16, Ph.D. '20), autore corrispondente del documento Nano Letters. Ng ha condotto questa ricerca mentre era uno studente laureato nel laboratorio di Greer ed è ora ricercatore post-dottorato presso l'Istituto catalano di nanoscienza e nanotecnologia in Spagna. Il team di ricerca si è concentrato sulla struttura e sul materiale del reticolo cubo come la giusta combinazione attraverso un meticoloso processo di modellazione al computer (e la consapevolezza che il geranio è un materiale ad alto indice).
Per ottenere il rivestimento del polimero in modo uniforme su quella scala con un metallo, il team di ricerca ha richiesto lo sviluppo di un metodo completamente nuovo. Alla fine, Ng, Greer e i loro colleghi hanno utilizzato una tecnica di sputtering in cui un disco di germanio è stato bombardato con ioni ad alta energia che hanno fatto esplodere atomi di germanio dal disco e sulla superficie del reticolo polimerico. "Non è facile ottenere un rivestimento uniforme", afferma Ng. "Ci sono voluti molto tempo e molti sforzi per ottimizzare questo processo."
La tecnologia ha potenziali applicazioni per telecomunicazioni, imaging medico, mimetizzazione radar e informatica.
Nell'osservazione del 1965, l'allievo del Caltech Gordon Moore (Ph.D. '54), un membro a vita del Consiglio di fondazione del Caltech, predisse che i circuiti integrati sarebbero diventati due volte più complicati e la metà più costosi ogni due anni. Tuttavia, a causa dei limiti fondamentali alla dissipazione di potenza e alla densità dei transistor consentiti dagli attuali semiconduttori al silicio, lo scaling previsto dalla legge di Moore dovrebbe presto finire. "Stiamo raggiungendo la fine della nostra capacità di seguire la legge di Moore; realizzare transistor elettronici il più piccolo possibile", afferma Ng. Il lavoro in corso è un passo verso la dimostrazione delle proprietà ottiche che sarebbero necessarie per abilitare i circuiti fotonici 3D. Poiché la luce si muove molto più rapidamente degli elettroni, i circuiti fotonici 3D, in teoria, sarebbero molto più veloci di quelli tradizionali.
Le Nano Lettere l'articolo è intitolato "Mappatura della dispersione in reticoli di cristallo fotonico 3-Dimensional Core-Shell Capable of Negative Refraction in the Mid-Infrared". + Esplora ulteriormente
