Una nuova tecnologia sperimentata al Caltech sta consentendo ai ricercatori di “evolvere” dispositivi ottici e quindi stamparli utilizzando un tipo specializzato di stampante 3D. Questi dispositivi sono costituiti dai cosiddetti metamateriali ottici che derivano le loro proprietà da strutture così piccole da essere misurate in nanometri e possono consentire a fotocamere e sensori di rilevare e manipolare le proprietà della luce in modi precedentemente non possibili su piccola scala.

Il lavoro è stato condotto nel laboratorio di Andrei Faraon, William L. Valentine Professore di Fisica Applicata e Ingegneria Elettrica ed è pubblicato sulla rivista Nature Communications .

Questa non è la prima volta che Faraon sviluppa metamateriali ottici, ma afferma che è la prima volta che questi materiali vengono spinti in tre dimensioni.

"In genere, la maggior parte di queste cose vengono eseguite su un sottile strato di materiale. Prendi un pezzo molto sottile di silicio o altro materiale e lo elabori per ottenere il tuo dispositivo", afferma. "Tuttavia, [il campo dell'ottica] vive in uno spazio tridimensionale. Ciò che stiamo cercando di indagare qui è ciò che è possibile se realizziamo strutture tridimensionali più piccole della lunghezza d'onda della luce che stiamo cercando di controllare."

A dimostrazione della nuova tecnica di progettazione, il laboratorio di Faraon ha creato minuscoli dispositivi in ​​grado di ordinare la luce in entrata, in questo caso l'infrarosso, sia in base alla lunghezza d'onda che alla polarizzazione, una proprietà che descrive la direzione in cui vibrano le onde luminose.

Sebbene esistano già dispositivi in ​​grado di separare la luce in questo modo, i dispositivi realizzati nel laboratorio di Faraon potrebbero essere fatti funzionare con la luce visibile e abbastanza piccoli da poter essere posizionati direttamente sopra il sensore di una fotocamera e dirigere la luce rossa su un pixel, verde la luce a un altro e la luce blu a un terzo. Lo stesso si potrebbe fare per la luce polarizzata, creando una fotocamera in grado di rilevare l'orientamento delle superfici, capacità utile per la creazione di spazi di realtà aumentata e virtuale.

Uno sguardo a questi dispositivi rivela qualcosa di piuttosto inaspettato. Mentre la maggior parte dei dispositivi ottici sono lisci e lucidati come una lente o un prisma, i dispositivi sviluppati dal laboratorio di Faraon sembrano organici e caotici, più simili all'interno di un termitaio che a qualcosa che vedresti in un laboratorio di ottica. Questo perché i dispositivi vengono evoluti da un algoritmo che modifica continuamente il loro design finché non funzionano nel modo desiderato, in modo simile a come l'allevamento potrebbe creare un cane bravo a pascolare le pecore, afferma Gregory Roberts, studente laureato in fisica applicata e autore principale del documento.

"Il software di progettazione è essenzialmente un processo iterativo", afferma Roberts. "In ogni fase dell'ottimizzazione può scegliere come modificare il dispositivo. Dopo aver apportato una piccola modifica, capisce come apportare un'altra piccola modifica e, alla fine, ci ritroviamo con questa struttura dall'aspetto bizzarro che ha un rendimento elevato nella funzione target che abbiamo stabilito all'inizio."

Faraon aggiunge:"In realtà non abbiamo una comprensione razionale di questi progetti, nel senso che si tratta di progetti prodotti tramite un algoritmo di ottimizzazione. Quindi, ottieni queste forme che svolgono una determinata funzione. Ad esempio, se vuoi focalizzi la luce su un punto - quindi in pratica quello che fa una lente - e esegui la nostra simulazione per quella funzione, molto probabilmente otterrai qualcosa che assomiglia molto a una lente. Tuttavia, le funzioni che stiamo prendendo di mira, dividono le lunghezze d'onda in un certo punto modello:sono piuttosto complicati. Ecco perché le forme che escono non sono del tutto intuitive."

Per trasformare questi progetti da un modello su un computer in dispositivi fisici, i ricercatori hanno utilizzato un tipo di stampa 3D nota come litografia di polimerizzazione a due fotoni (TPP), che indurisce selettivamente una resina liquida con un laser. Non è diverso da alcune delle stampanti 3D utilizzate dagli hobbisti, tranne che indurisce la resina con maggiore precisione, consentendo la costruzione di strutture con caratteristiche inferiori a un micron.

Faraon afferma che il lavoro è una prova di concetto, ma che con un po' più di ricerca potrebbe essere realizzato con una tecnica di produzione pratica.

Ulteriori informazioni: Gregory Roberts et al, Metaottica del medio infrarosso a progettazione inversa con motivo 3D, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-38258-2

Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura

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