Lenti ultrasottili che rendono visibile la luce infrarossa
I ricercatori hanno ottenuto questo risultato utilizzando uno speciale materiale per lenti in ossido di metallo chiamato niobato di litio e attraverso un modello su scala nanometrica, impresso nel materiale
I fisici del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato una lente dalle proprietà magiche. Ultrasottile, può trasformare la luce infrarossa in luce visibile dimezzando la lunghezza d'onda della luce incidente.
Le lenti sono i dispositivi ottici più utilizzati. Le lenti o gli obiettivi delle macchine fotografiche, ad esempio, producono foto o video nitidi dirigendo la luce verso un punto focale. La velocità dell'evoluzione nel campo dell'ottica negli ultimi decenni è esemplificata dalla trasformazione delle ingombranti macchine fotografiche tradizionali nelle odierne fotocamere compatte per smartphone.
Anche le fotocamere per smartphone ad alte prestazioni richiedono una serie di obiettivi che spesso rappresentano la parte più spessa del telefono. Questo vincolo dimensionale è una caratteristica intrinseca del design classico degli obiettivi: una lente spessa è fondamentale per piegare la luce e catturare un'immagine nitida sul sensore della fotocamera.
Negli ultimi dieci anni, i grandi progressi nel campo dell'ottica hanno cercato di superare questa limitazione e hanno trovato una soluzione sotto forma di lenti metalliche. Esse sono piatte, funzionano come le normali lenti e non solo sono 40 volte più sottili di un capello umano medio, ma sono anche leggere perché non devono essere realizzate in vetro.
Una speciale metasuperficie composta da strutture di appena cento nanometri di larghezza e altezza (un nanometro è un miliardesimo di metro) modifica la direzione della luce. Utilizzando queste nanostrutture, i ricercatori possono ridurre radicalmente le dimensioni di una lente e renderla più compatta.
Se combinate con materiali speciali, queste nanostrutture possono essere utilizzate per esplorare altre proprietà insolite della luce. Un esempio è l'ottica non lineare, in cui la luce viene convertita da un colore all'altro. Una penna laser verde funziona secondo questo principio: la luce infrarossa attraversa un materiale cristallino di alta qualità e genera una luce di metà lunghezza d'onda, in questo caso verde. Un materiale ben noto che produce tali effetti è il niobato di litio. Viene utilizzato nell'industria delle telecomunicazioni per creare componenti che interfacciano l'elettronica con le fibre ottiche.
Rachel Grange, docente presso l'Istituto di Elettronica Quantistica del Politecnico di Zurigo, conduce ricerche sulla fabbricazione di nanostrutture con questi materiali. Lei e il suo team hanno sviluppato un nuovo processo che consente di utilizzare il niobato di litio per creare metalenti. Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Advanced Materials.
Per il suo nuovo metodo, la fisica combina la sintesi chimica con la nanoingegneria di precisione. "La soluzione contenente i precursori dei cristalli di niobato di litio può essere stampata quando è ancora allo stato liquido. Funziona in modo simile alla macchina da stampa di Gutenberg", spiega la coautrice Ülle-Linda Talts, dottoranda che lavora con Rachel Grange. Una volta riscaldato a 600°C, il materiale assume proprietà cristalline che consentono la conversione della luce, come nel caso della penna laser verde.
Il processo presenta diversi vantaggi. Produrre nanostrutture di niobato di litio è difficile con i metodi convenzionali, poiché il materiale è eccezionalmente stabile e duro. Secondo i ricercatori, questa tecnica è adatta alla produzione di massa, in quanto uno stampo inverso può essere utilizzato più volte, consentendo di stampare il numero di metalenti necessario. È anche molto più economica e veloce da fabbricare rispetto ad altri dispositivi ottici miniaturizzati in niobato di litio.
Lenti ultrasottili che generano nuova luce
Utilizzando questa tecnica, i ricercatori dell'ETH del gruppo di Grange sono riusciti a creare le prime lenti metalliche in niobato di litio con nanostrutture progettate con precisione. Pur funzionando come normali lenti per la messa a fuoco della luce, questi dispositivi sono in grado di modificare contemporaneamente la lunghezza d'onda della luce laser. Quando la luce infrarossa con una lunghezza d'onda di 800 nanometri viene inviata attraverso i metalenti, la radiazione visibile con una lunghezza d'onda di 400 nanometri emerge dall'altro lato e viene diretta verso un punto designato.
Questa magia della conversione della luce, come la chiama Rachel Grange, è resa possibile solo dalla particolare struttura del metalens ultrasottile e dalla sua composizione in un materiale che permette il verificarsi del cosiddetto effetto ottico non lineare. Questo effetto non è limitato a una determinata lunghezza d'onda del laser, rendendo il processo estremamente versatile in un'ampia gamma di applicazioni.
Dalle banconote a prova di contraffazione agli strumenti di microscopia di nuova generazione
I metalenti e simili nanostrutture che generano ologrammi potrebbero essere utilizzati come elementi di sicurezza per rendere banconote e titoli a prova di contraffazione e per garantire l'autenticità delle opere d'arte. Le loro strutture esatte sono troppo piccole per essere viste con la luce visibile, mentre le loro proprietà materiali non lineari consentono un'autenticazione altamente affidabile.
I ricercatori possono anche utilizzare semplici rilevatori per convertire e orientare l'emissione di luce laser per rendere visibile la luce infrarossa, ad esempio nei sensori. Oppure per ridurre l'attrezzatura necessaria per la modellazione della luce ultravioletta nella fabbricazione di elettronica all'avanguardia.
Il campo di questi elementi ottici ultrasottili - noti come metasuperfici - è un ramo relativamente giovane della ricerca all'interfaccia tra fisica, scienza dei materiali e chimica. "Finora abbiamo solo scalfito la superficie e siamo entusiasti di vedere l'impatto che questo tipo di nuova tecnologia a basso costo avrà in futuro", sottolinea Grange.
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