Rivoluzionaria tecnica per ottenere metamateriali semplici ed economici

Con una nuova rivoluzionaria tecnica di self-assembly si possono ottenere  metamateriali ottici semplici ed economici. Negli ultimi anni, abbiamo sentito parlare molto spesso di metamateriali e del loro potenziale per orientare la luce in tutti i tipi di modi strani e meravigliosi. Non c’è limite alle cose che si possono costruire con questi materiali. Con il termine “metamateriali” ci si riferisce a quella vasta gamma di materiali elettromagnetici prodotti artificialmente e, di conseguenza, non esistenti in natura, sintetizzati inserendo strutture conduttrici di particolare forma e dimensione in un mezzo dielettrico ospitante. La forma, le dimensioni, la struttura, l’orientamento e la disposizione di tali inclusioni sono progettati per modificare le caratteristiche elettromagnetiche del dielettrico ospite ed ottenere proprietà particolari per le applicazioni d’interesse non realizzabili con mezzi convenzionali. La caratterizzazione di questi materiali è diventata un’esigenza fondamentale negli ultimi anni, principalmente per il fatto che le tecnologie di produzione hanno consentito di raggiungere risultati insperati solo poco tempo fa. Alcune interessanti proposte di applicazione di questi materiali hanno mostrato come il loro utilizzo possa superare alcune limiti fisici considerati fino ad allora fondamentali. In particolare, l’effetto di super-risoluzione di un materiale DNG, mostrato teoricamente da Pendry e poi anche verificato sperimentalmente, ha mostrato come si possa superare il limite fisico della diffrazione. Una lente tradizionale, infatti, riesce a focalizzare un dettaglio con un limite ben noto in ottica: fissata la frequenza di lavoro tale dettaglio non può essere inferiore alla lunghezza d’onda. Tale limite in termini elettromagnetici è facilmente spiegato espandendo il piano oggetto, che si vuole focalizzare, nelle sue armoniche di Fourier. Ai dettagli di dimensioni maggiori corrispondono armoniche con periodo più lungo, che si propagano attraverso la lente e possono venire focalizzate nel piano immagine. D’altra parte, i dettagli più fini corrispondono ad armoniche con periodo sempre più piccolo e quelli di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda vengono descritti da componenti di Fourier sotto cut-off. Ciò implica che questi dettagli corrispondono allo spettro di onde evanescenti dell’oggetto, che una lente tradizionale non riesce a focalizzare. Una lamina piana di materiale DNG opportunamente progettato, invece, riesce a riportare nel piano immagine anche la corretta ampiezza e fase dello spettro evanescente [7], riuscendo in linea di principio a ricostruire esattamente l’immagine nel limite di assenza di perdite e adattamento perfetto tra lamina e spazio circostante. Anche quando queste condizioni non possono essere soddisfatte, comunque, è possibile utilizzare una lamina di metamateriale per andare al di sotto del limite fisico della diffrazione nell’imaging ottico e a microonde.

Ma il problema per gli scienziati è di realizzare questi materiali in maniera economica. I metamateriali consistono di pattern ripetuti di elementi che interagiscono con un’onda elettromagnetica in modo da controllare e distorcere il suo percorso. A lunghezze d’onda millimetriche questi elementi sono cose come piccoli fili. Per renderli metamateriali, devono essere assemblati in array con tecniche di produzione convenzionali oppure a mano. Ma a lunghezze d’onda infrarosse e ottiche, la creazione e l’assemblaggio di elementi attivi elettromagnetico è una delle grandi preoccupazioni perché il processo è molto lungo e laborioso e ciò è molto limitante per lo sviluppo di questi materiali.Oggi invece siamo a parlare di una tecnica nuova e promettente che ha il potenziale per produrre questi tipi di materiali su scala veramente industriale ed in maniera economica finalmente.”Abbiamo dimostrato che siamo in grado di aggirare questa limitazione”, dicono Kristof Lodewijks presso il Centro Interuniversitario di Microelettronica in Belgio.

La tecnica è sorprendentemente semplice. Questi ricercatori prendono una manciata di palline di polistirolo a poche centinaia di nanometri di diametro e li mettono su una superficie piana d’oro dove sono naturalmente auto assemblate in una matrice esagonale con pochissimi difetti. Questa matrice serve poi come modello per il metameriale. L’obiettivo del team è dunque di creare una sottile lastra composta di strati d’oro-silicio ossido-oro. Tuttavia, questa lastra è perforata da una matrice esagonale di fori che corrispondono alla posizione delle sfere di polistirolo.

Questa lastra, dicono Lodewijks e gli altri inventori, è un materiale con indice di rifrazione negativo, che opera nella regione del vicino infrarosso. E la lunghezza d’onda di funzionamento è semplice da cambiare, modificando il diametro delle sfere, che a sua volta cambia la dimensione dei fori.Questo è intelligente, economico e veloce ed è anche una tecnica che potrebbe essere facilmente modificato in scala. Così potremmo finalmente avere un modo per rendere i materiali indice negativo a frequenze ottiche su scala decente.

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