Specchi «trasfiguranti» creati con la nanostrutturazione
Negli ultimi 30 anni, la fotonica ha assistito a importanti sviluppi tecnologici, assumendo un ruolo centrale nelle applicazioni di navigazione, telerilevamento e comunicazione. Tuttavia, la manipolazione della luce richiede in genere l’uso di lenti ottiche che possono essere ingombranti, pesanti e fragili. Il progetto FLATLIGHT, finanziato dall’UE, sostiene l’ulteriore miniaturizzazione nel campo dell’ottica e dell’optoelettronica utilizzando un sistema alternativo per indirizzare e modellare la luce. «Quello che stiamo facendo è concepire dispositivi ottici che replicano lenti e prismi ottici ingombranti usando interfacce nanostrutturate», spiega il coordinatore del progetto Patrice Genevet.
Controllo della luce
Presso il Centro di ricerca per l’eteroepitassia e le sue applicazioni (CRHEA) dell’Università della Costa Azzurra il team ha costruito interfacce dello spessore di appena 1 micron, contenenti sistemi di blocchi rettangolari in scala nanometrica di dimensioni, forma e spaziatura strettamente controllate. «Questi componenti modellano la luce cambiando le proprietà del campo elettromagnetico, cioè ampiezza, fase, polarizzazione e frequenza, attraverso un materiale più sottile di un centesimo del diametro di un capello umano», spiega Genevet. «L’obiettivo di FLATLIGHT è quello di fabbricare metasuperfici che operano nella gamma di lunghezza d’onda visibile utilizzando materiali semiconduttori nanostrutturati in grado di controllare l’emissione, la trasmissione e la riflessione della luce all’interfaccia». Per esempio, certe nanostrutture possono piegare la luce in una direzione arbitraria quando questa attraversa l’interfaccia. Variando in maniera precisa lo schema sulla superficie, la luce che passa sui bordi può essere piegata più che al centro, così da focalizzare il raggio. «Si tratta di metasuperfici, cioè di superfici con funzionalità che vanno oltre quelle delle interfacce classiche», aggiunge Genevet. «Le capacità di indirizzamento della luce delle metasuperfici sono uniche, non se ne trovano di simili in altri dispositivi ottici». Una delle applicazioni è nei laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL), piccoli componenti elettronici usati per emettere luce laser ad alta frequenza e bassa potenza, centrali per applicazioni come il LIDAR, necessario per il riconoscimento facciale degli smartphone. Strutturando la superficie del diodo laser, Genevet e il suo team hanno dimostrato che la luce emessa potrebbe essere modellata a piacimento, riducendo la divergenza e rimuovendo la necessità di ulteriori lenti di collimazione.
Dispositivi di occultamento
Le nanostrutture possono anche migliorare le lenti ottiche tradizionali, che risentono di difetti intrinseci noti come aberrazioni. Per esempio, l’aberrazione cromatica si verifica quando colori diversi di luce vengono rifratti a valori diversi, conferendo ai bordi dell’immagine aloni variopinti. L’incisione delle nanostrutture sulla superficie della lente potrebbe ovviare a ciò. La tecnologia può anche essere usata per creare LED con proprietà più avanzate come la polarizzazione e l’illuminazione direzionale, offrendo il potenziale per creare display olografici compatti. «Un’altra applicazione interessante è l’occultamento», dice Genevet. «Immaginate di avvolgere un’interfaccia intorno a un oggetto e di riflettere l’immagine di qualcos’altro. Saremmo davanti a un nuovo tipo di interfaccia di occultamento, capace di trasformare una cosa in un’altra, un po’ come portare l’incantesimo della trasfigurazione di Harry Potter nella realtà». Il lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca. «È evidente che senza il sostegno del CER, nulla di tutto questo sarebbe accaduto», osserva Genevet. «È stata un’opportunità incredibile per creare il mio programma, sviluppare tutte le ricette di nanofabbricazione correlate, tutti i programmi di elaborazione e creare il laboratorio di caratterizzazione ottica». A seguire, Genevet prevede di fare domanda per una sovvenzione di consolidamento per continuare la sua ricerca. «Abbiamo avuto nuove idee sorprendenti, e ora abbiamo una visione chiara di ciò che è possibile e ciò che non lo è». Il suo laboratorio ha inoltre ricevuto un finanziamento del CER per la verifica teorica finalizzata allo sviluppo di un sistema LIDAR compatto ad alta frequenza utilizzando metasuperfici. Ora l’obiettivo è quello di costruire un prototipo più completo al fine di commercializzare questa tecnologia.
Parole chiave
FLATLIGHT, luce, rifrazione, laser, metasuperficie, nanoscala, trasfigurazione, lenti, fotonica, optoelettronica