LENTI ULTRAPIATTE, SPECCHI, POLARIZZATORI E GENERATORI DI VORTICI

L’Università di Trento ha dato l’avvio ad una nuova linea di ricerca in ottica applicata presso la School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) dell’Università di  Harvard, grazie al progetto “elDorado”, finanziato dall’Unione europea. La ricerca adesso continua in Trentino, a Rovereto, presso l’Istituto Italiano di Tecnologia.

L’obiettivo di questa nuova attività è la realizzazione di dispositivi ottici, sia di tipo “classico”, come lenti, specchi o polarizzatori, sia di tipo più innovativo, come generatori di vortici ottici. La novità importante è nel principio di funzionamento. Una lente classica viene tradizionalmente fabbricata sagomando vetro - o talvolta altri materiali, a seconda delle applicazioni - in modo da ottenere superfici curve, atte a concentrare la luce in un punto, detto fuoco. La nuova tecnologia sfrutta invece la
diffusione della luce da parte di migliaia di microantenne, ciascuna di dimensioni significativamente inferiori di un milionesimo di metro, realizzate con litografia a fascio elettronico, e disposte su superfici non curve ma planari.

Questo balzo nel principio di funzionamento ha molti interessi potenziali.

Il primo interesse deriva dallo spessore dei dispositivi, di pochi miliardesimi di metro, che suggerisce immediate linee di applicazione, laddove lo spazio è un bene prezioso e l’imperativo è la massima riduzione dell’ingombro, come ad esempio nelle telecamere per telefoni cellulari.

C’è poi la compatibilità con la tecnologia a silicio. Per gli esperimenti svolti a Harvard, si sono creati dispositivi a microantenne utilizzando substrati di silicio, e macchine presenti in qualsiasi industria che produce  microprocessori o chip elettronici. In virtù di questa compatibilità, si possono immaginare in futuro piccolissimi circuiti, ciascuno associato a una microantenna, in modo da renderla “intelligente” e farle ad esempio focalizzare un tipo di radiazione ed un altro no, oppure un colore da una parte e uno dall’altra.

In un certo senso, esiste un’analogia - anche se per ora solo potenziale - con quanto è avvenuto per la televisione. Il tubo catodico aveva abituato le persone ad una televisione tracciata in modo continuo con un pennello di elettroni.

Oggi quel concetto è stato quasi completamente abbandonato, in favore di schermi dove l’immagine è controllata, localmente, punto per punto. L’impatto innovativo più visibile è stata la riduzione di spessore. Le lenti proposte da questa ricerca fanno un po’ la stessa cosa, perché trattano il problema della “gestione del fronte
ottico” punto per punto. L’effetto immediato è, anche per la lente, la riduzione dello spessore. In realtà, non si prevede che le buone lenti classiche possano sparire in modo così drastico come ha fatto il tubo catodico, ma è utile evidenziare che lo spessore, nel caso di questa tecnica, è diventato un milione di volte più sottile.

Ma come fanno le microantenne a focalizzare un fascio luminoso? Conviene partire dalla struttura più semplice, quella pubblicata in N. Yu et al., Science 334, 21 ottobre 2011, mostrata nella figura.

Si tratta della fotografia al microscopico elettronico (SEM) di una struttura a microantenne, realizzata su silicio, per la deflessione a sinistra di un’onda infrarossa. In essa si distinguono 8 tipi di antenne diverse (ciascuna ha una “rappresentante” evidenziata in giallo), tutte con “bracci” variamente inclinati, larghi 220 nanometri, e spessi 50 nanometri (1 nanometro è 1 miliardesimo di metro, mentre 1 micron, simbolo μm, è un milionesimo di metro).

Le antenne sono diverse per avere diversi ritardi nell’emissione luminosa. L’effetto è simile a quello dei cingoli di un bulldozer, che procedono a velocità diverse. Il bulldozer gira verso il lato il cui cingolo è più lento e, analogamente, la luce gira verso il lato la cui antenna è più “lenta”: gira a sinistra, nel caso mostrato nella figura. Una volta scoperto questo effetto, le antenne sono state disposte con varie simmetrie. Quella circolare (qui non mostrata) è quella che realizza l’effetto focalizzante. È, appunto, la lente.

L’Università di Trento e quella di Harvard hanno depositato un brevetto congiunto su questi dispositivi. Ad oggi l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) ha inoltre erogato un finanziamento per impiantare, dal novembre 2012, un laboratorio sperimentale presso il centro di Neuroscienze e Sistemi Cognitivi di IIT a Rovereto. Il laboratorio, ancora nel pieno della fase di allestimento, avrà due linee principali. La prima sarà dedicata alla finestra spettrale del vicino infrarosso (near infrared, NIR), e in particolare alle lunghezze d’onda di 1.55 μm (per applicazioni nel campo delle telecomunicazioni in fibra), e a circa 1 μm (per applicazioni in neuroscienze, come la stimolazione selettiva cerebrale attraverso irraggiamento infrarosso). La seconda sarà centrata su un laser di potenza a CO2 (mid infrared, MIR), per sviluppare applicazioni di interesse industriale, come ad esempio nel campo del laser cutting. In questo caso, l’obiettivo è l’introduzione di una tecnologia alternativa ai costosi dispositivi ottici sul mercato, come lenti e polarizzatori a seleniuro di zinco strutturato, attualmente pressoché l’unica opzione commerciale disponibile.

Nel laboratorio verranno poi studiate le strutture ultrapiatte per generare i vortici ottici, con applicazioni in astronomia e quantum computing.