NANOTECNOLOGIE/ La nuova frontiera dei metamateriali “plasmati” con la luce

- int. Gaetano Scamarcio

Alcuni ricercatori hanno realizzato nuove funzioni e nuovi dispositivi ottici inventando nuovi metamateriali con funzionalità che non esistono in natura. Intervista a GAETANO SCAMARCIO

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Schema dell'apparato sperimentale: in rosso fascio di luce che genera il metamateriale

Lo studio dei metamateriali è uno dei più recenti settori di ricerca ed è molto promettente nel campo dell’ottica. «Si tratta– ha spiegato a Ilsussidiario.net Gaetano Scamarcio, ordinario di Fisica dell’università degli studi di Bari e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr (Ifn-Cnr) – 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. Sono materiali con proprietà ottiche progettate ad-hoc, utilissimi per realizzare nuove funzioni e nuovi dispositivi ottici».

È quello che hanno realizzato i ricercatori di tre istituti del Cnr, l’Ifn, l’Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e l’Istituto Spin, in collaborazione con il Dipartimento Interateneo di Fisica dell’Università degli studi e del Politecnico di Bari e con l’Università dell’Insubria; è stato  un ottimo lavoro di squadra – come fa notare Scamarcio – fra ricercatori sperimentali e teorici di molte diverse sedi del Cnr e universitarie italiane, predisposti a lavorare insieme e affascinati dalla opportunità di inventare nuovi metamateriali con funzionalità che non esistono in natura. Sono infatti riusciti a ottenere un metamateriale plasmato con la luce, facendo quello che sembra un gioco di parole e si può esprimere così: costruire con la luce oggetti per controllare la luce. «L’aspetto più interessante e intrigante è che il dispositivo viene creato dalla luce: illuminando il silicio si crea una struttura che funziona come dispositivo ottico. 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».

Il grande vantaggio di usare luce è che i metamateriali ottenuti sono infinitamente riconfigurabili, perché il processo è reversibile, come spiega Lorenzo Columbo dell’Ifn-Cnr : «La riconfigurabilità è legata proprio al fatto che la struttura del dispositivo viene creata mediante illuminazione, quindi può essere modificata a piacimento anche molto velocemente. 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».

È quanto fatto dai ricercatori nell’esperimento, creando una illuminazione a righe con spaziature variabili fra 15 e 80 micrometri (1 micrometro = 1 milionesimo di metro) con una semplice inversione della direzione da verticale ad orizzontale, è possibile ri-configurare il metamateriale che a sua volta modula 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 – ha sottolineato 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».

«Un punto fondamentale della nostra ricerca – continua Scamarcio – riguarda la radiazione utilizzata che è quella TeraHertz; è una radiazione importante per alcune applicazioni che stanno diventando strategiche: la sua importanza deriva dal fatto che è trasparente per materiali come carta, tessuti, plastica perciò un’immagine TeraHertz vede attraverso tali materiali; possiamo guardare, ad esempio, all’interno di un involucro di plastica di un imballaggio, oppure al di sotto del tessuto o dentro una busta di carta. È quindi adatta per indagini non invasive, tipiche dei raggi X ma senza i rischi di questi ultimi. Può vedere la difettosità di dispositivi elettronici ricoperti di plastica o in campo alimentare, si può guardare all’interno di un involucro sigillato contenente alimenti per rintracciare eventuali intrusioni o difettosità, senza aprire la confezione».

Per applicazioni di security o di diagnostica la radiazione TeraHertz sembra molto promettente. Il problema è che si devono risolvere tutta una serie di problema relativi alla produzione di questo tipo dio luce con sorgenti a semiconduttore: «Li stiamo risolvendo, ma non basta. Un obiettivo è creare delle ottiche, cioè lenti, specchi, polarizzatori,  rendendole affidabili anche per il TeraHertz.   L’ottica convenzionale nel visibile è ormai ben sviluppata e consente una varietà enorme di applicazioni. Nel TeraHertz invece alcune cose non sono possibili: ad esempio è molto difficile costruire  lenti, per motivi intrinseci ai materiali; e si usano specchi molto ingombranti, a forma di paraboloide. Con i meta materiali si apre la possibilità di esplorare la costruzione di elementi ottici alternativi, come quelli che noi abbiamo studiato, quasi bidimensionali, riprogrammabili e facilmente convertibili l’uno nell’altro con la luce».

Questa nuova ricerca apre la strada verso la realizzazione di componenti ottici che operano nel TeraHertz e inoltre sono poco ingombranti, riscrivibili a piacimento con la luce e modulabili. Lo studio dei ricercatori italiani ha suscitato molto interesse, soprattutto dopo la pubblicazione su Scientific Reports, rivista del gruppo Nature. «Pensiamo di aver aperto un nuovo settore e intendiamo continuare, sviluppando ricerche con nuove configurazioni per nuovi dispositivi ottici, sempre nel TeraHertz».

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