Metamateriali, passi in avanti dal CNR

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Costruire con la luce oggetti per controllare la luce; questo è l’incredibile risultato raggiunto dai ricercatori dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr), dell’Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e dell’Istituto Spin del Consiglio nazionale delle ricerche, che insieme hanno ideato un metamateriale lavorato con la luce, per poi dimostrare il suo funzionamento come un dispositivo ottico reversibile e “riprogrammabile”.

Lo studio è stato condotto grazie alla stretta collaborazione con il Dipartimento Interateneo di Fisica dell’Università degli studi e del Politecnico di Bari e con l’Università dell’Insubria ed è stato pubblicato su Scientific Reports.
I metamateriali si inseriscono tra i target di ricerca più promettenti nel campo dell’ottica. “Si tratta di strutture artificiali periodiche su scala più piccola della lunghezza d’onda della luce, in cui si alternano elementi con indice di rifrazione molto diverso“, spiega Gaetano Scamarcio di Ifn-Cnr, coordinatore delle attività di ricerca. “Sono materiali con proprietà ottiche progettate ad-hoc, che non esistono in natura, utilissimi per realizzare nuove funzioni e nuovi dispositivi ottici“.

Generazione e modulazione dei metamateriali

I ricercatori hanno plasmato il metamateriale utilizzando la luce. “Proiettando sulla superficie di un substrato di silicio un fascio laser infrarosso opportunamente suddiviso in una molteplicità di fascetti, è stato possibile generare un metamateriale e con esso controllare e modulare l’emissione di un altro laser“. La luce rappresenta lo strumento di lavorazione ideale per i metamateriali, dato che i prodotti sono infinitamente riconfigurabili, dato che il processo, come spiega il ricercatore, è reversibile: “L’illuminazione laser, provocando l’eccitazione di cariche libere, ‘trasforma’ solo localmente e per il tempo voluto un materiale semiconduttore in uno quasi-metallico. In questo modo si può modificare a piacimento la risposta ottica del materiale semplicemente cambiando l’intensità e la geometria dell’illuminazione“.

Schema dell'apparato sperimentale; in rosso il fascio di luce che genera i metamateriali - Cortesia del CNR
Schema dell’apparato sperimentale; in rosso il fascio di luce che genera i metamateriali – Cortesia del CNR

Il core del processo è nella realizzazione di un’illuminazione a righe con spaziature variabili fra 15 e 80 micrometri; tramite un’inversione della direzione da verticale ad orizzontale, è possibile riconfigurare il metamateriale, chiamato a sua volta a modulare la luce emessa da un laser a cascata quantica, che emette radiazione infrarossa nella regione terahertz dello spettro elettromagnetico.

La possibilità di creare metamateriali con metodi ottici è recentissima ma già molto promettente“, aggiunge Carlo Rizza di Spin-Cnr, “con potenziali applicazioni nella realizzazione di lenti o specchi planari sottili pochi micron e istantaneamente riconfigurabili, o di ‘iper-lenti’ prive di aberrazioni che non deformano le immagini e restituiscono i più minuti dettagli“.

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