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Invisibilità resa più facile
Nell'ultimo anno, i media sono stati in fermento parlando di una classe esotica di materiali, chiamati metamateriali, che potrebbero essere usati per realizzare lenti piatte e prive di distorsioni, potenti microscopi e persino dispositivi di occultamento che rendono gli oggetti invisibili. Ma le versioni dei materiali adatte per applicazioni pratiche sono state difficili da realizzare. Ora i ricercatori della Princeton University hanno dimostrato metamateriali che sono sia più performanti che molto più facili da produrre, forse avvicinando queste applicazioni alla realtà.
Luce di piegatura: Un nuovo tipo di materiale fa sì che le onde luminose (rappresentate da ovali) si muovano in un modo completamente diverso da come si muovono nei materiali ordinari.
È un passo piuttosto importante, dice Igor Smolyaninov , un ricercatore presso l'Università del Maryland che lavora con i metamateriali. È molto meno costoso di qualsiasi altra cosa che le persone stanno facendo.
La luce che passa da un materiale ordinario a un altro si piega leggermente - pensa a come un bastone dritto nell'acqua sembra piegato - ma la luce che passa in un metamateriale si piega nella direzione opposta. I metamateriali hanno quindi quello che viene chiamato un indice di rifrazione negativo. Una lente realizzata con un materiale del genere non dovrebbe essere curva. (È la curvatura di una normale lente che gli consente di focalizzare la luce in entrata.) I metamateriali potrebbero anche essere usati per indirizzare le onde elettromagnetiche attorno a un oggetto, rendendolo invisibile. I ricercatori hanno già dimostrato un dispositivo di occultamento che rende gli oggetti invisibili alle microonde, e altri hanno creato materiali che rifrangono negativamente le onde elettromagnetiche nella parte visibile dello spettro elettromagnetico. Ma fino ad ora, i metamateriali dovevano essere modellati con forme intricate più piccole della lunghezza d'onda della luce che dovevano manipolare. Di conseguenza, i materiali che funzionano con luce di lunghezze d'onda microscopiche, come l'infrarosso e la luce visibile, sono stati difficili da realizzare. A causa del modo in cui producono rifrazione negativa, i metamateriali esistenti hanno anche avuto una forte tendenza ad assorbire la luce, rendendoli poco pratici per l'uso in ottica.
I materiali sviluppati a Princeton conservano la proprietà della rifrazione negativa, ma sono molto più facili da realizzare. Piuttosto che richiedere strutture complesse, come gli anelli divisi utilizzati nel dispositivo di occultamento a microonde, i materiali possono essere realizzati semplicemente impilando strati estremamente sottili di materiale semiconduttore. Inoltre, l'impilamento può essere eseguito con gli stessi strumenti ora utilizzati per realizzare materiali semiconduttori per i laser utilizzati nelle telecomunicazioni, afferma Claire Gmachl , il ricercatore di Princeton che ha guidato il lavoro. I nuovi materiali sono costituiti da strati alternati di arseniuro di indio gallio e arseniuro di alluminio indio e sono sintonizzati per funzionare nella regione infrarossa dello spettro.
Come altri metamateriali, i nuovi materiali influenzano la luce in modo diverso rispetto ai materiali ordinari perché sono costituiti da strutture significativamente più piccole della lunghezza d'onda della luce che li attraversa. In questo caso, tuttavia, sono gli strati dei semiconduttori stessi a essere più sottili della lunghezza d'onda della luce. Di conseguenza, un'onda che passa attraverso il materiale incontra più strati contemporaneamente, rispondendo ad essi come se fossero un unico materiale con proprietà del tutto diverse da quelle di entrambi i semiconduttori isolati.
Ciò che rende i nuovi materiali diversi dai precedenti metamateriali è che invece di cambiare due aspetti del modo in cui la luce si muove, ne cambiano solo uno. Se la luce è pensata come un'onda, il fronte d'onda è perpendicolare alla direzione in cui si muove la luce. Immagina un'onda oceanica che si infrange sulla riva: si muove in una sola direzione, ma il fronte dell'onda è un enorme muro d'acqua. I metamateriali precedenti cambiavano la direzione dei raggi di luce che li attraversavano e il fronte d'onda rimaneva perpendicolare alla direzione del raggio. Nei nuovi materiali, il raggio di luce cambia direzione, ma i fronti d'onda no, dando l'impressione che stiano scivolando di lato anziché avanzare. (Vedi immagine sotto.)
Quando un raggio di luce si muove attraverso un materiale ordinario, si muove nella stessa direzione in cui sono rivolte le onde luminose (parte superiore dell'immagine). Quando un raggio di luce entra in un nuovo tipo di metamateriale, cambia direzione, ma le onde rimangono rivolte nella stessa direzione, sembrando scivolare lateralmente (vedi metà inferiore dell'immagine). Questa immagine proviene da una simulazione al computer.
Credito: Anthony Hoffman, Princeton University
L'effetto complessivo sulla direzione del raggio di luce è lo stesso del precedente metamateriale, ma i nuovi materiali sono più semplici da creare e assorbono molta meno luce, rendendoli più attraenti per l'uso nell'ottica.
La prima applicazione che i ricercatori di Princeton stanno sviluppando è una lente piatta per dispositivi di rilevamento di sostanze chimiche, un'applicazione per la quale i materiali che funzionano con la luce infrarossa sono particolarmente adatti. Gmachl afferma che le attuali configurazioni ottiche per tali dispositivi sono ingombranti perché utilizzano obiettivi convenzionali. La prima applicazione consisterebbe nell'usare quel materiale per miniaturizzare le configurazioni ottiche sostituendo le lenti curve con quelle piatte, dice.
Un'altra prima applicazione potrebbe essere nei dispositivi per la visione notturna, che funzionano anche con lunghezze d'onda infrarosse. Per le persone che desiderano migliorare i dispositivi per la visione notturna, questo potrebbe essere piuttosto interessante, afferma Smolyaninov.