Le antenne nano ottiche potrebbero avere un grande impatto

L'antenna, una tecnologia secolare, è ovunque. Ascoltando la radio? Fare una chiamata sul tuo cellulare? Navigare in rete tramite Wi-Fi? L'antenna ha reso possibile tutto questo.

Piccole antenne: Questa immagine mostra una lente piatta in metamateriale. L'immagine concettuale a destra mostra come tale lente, realizzata con antenne su nanoscala, focalizzi la luce; l'immagine composita a sinistra mostra una fotografia di tale lente e il ritardo di fase applicato all'onda in varie posizioni spaziali (la metà multicolore).

Ora anche l'antenna sta cambiando ottica.

A Federico Capasso 's laboratorio dell'Università di Harvard, i ricercatori hanno ideato un nuovo modo di manipolare la luce utilizzando antenne ottiche su nanoscala. Prendono effettivamente un'antenna radio, la piegano a V e la rimpiccioliscono di un fattore di circa un milione, per creare quello che viene chiamato un risonatore ottico. Modellando una superficie con un numero di questi risonatori, piegati ad angoli diversi, per creare quella che è nota come metasuperficie, hanno scoperto che potevano fare in modo che la luce facesse praticamente tutto ciò che volevano.

Ecco cosa sono riusciti a fare finora:

Specchi che (sembrano) violare le leggi della riflessione
L'abbiamo imparato alle elementari: l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Manda la luce direttamente a uno specchio e tornerà subito indietro. Non più. Gli specchi metasuperficiali basati su antenne dei ricercatori riflettono la luce in direzioni arbitrarie di loro scelta. Oltre a darci una comprensione più generale della fisica della riflessione e della rifrazione, questi dispositivi ci permettono di controllare e reindirizzare la luce in modi sempre più versatili.

Una lente piatta sottile come un capello
Una lente, ci viene detto, è un pezzo di vetro rotondo con un rigonfiamento al centro, usato per portare la luce in un punto. Per mettere a fuoco una fotocamera, dobbiamo spostare l'obiettivo, avanti e indietro, finché un'immagine non diventa nitida. Ma cosa succede se l'elemento di messa a fuoco può essere realizzato con uno spessore di soli 60 nanometri, l'intera lente della larghezza di pochi capelli umani? E se cambiando la forma di alcune minuscole antenne all'interno di una tale lente potessimo spostare la messa a fuoco? Ciò potrebbe consentire la miniaturizzazione dei componenti di imaging come mai prima d'ora.

Lastre ondulate in metamateriale
Convenzionalmente, la polarizzazione della luce rotante, o il passaggio dalla polarizzazione lineare a quella circolare, richiede cristalli speciali con indici di rifrazione che dipendono dal modo in cui viene polarizzata la luce in ingresso. I ricercatori hanno scoperto che potrebbero invece imitare questi effetti con i loro array di antenne. Poiché cambiando la polarizzazione della luce si possono codificare i dati, questa classe di elementi ha potenziali applicazioni nel calcolo e nella comunicazione ottici quantistici.

Ottica da laboratorio metamateriale
Anche due comuni strumenti di laboratorio sono stati rifatti in forma di metamateriale. Il primo è una lastra di fase a spirale, che converte un normale punto laser in un raggio di luce a ciambella con momento angolare. Il raggio di vortice risultante, come viene chiamato, può inviare particelle illuminate in orbita attorno al suo centro oscuro. Il secondo è un axicon, un elemento ottico che genera un'immagine quasi priva di diffrazione fascio di Bessel , che può essere utilizzato per posizionare con precisione particelle di dimensioni micron e spostarle lungo un percorso ben definito.

Ecco come funziona:

Si scopre che questi risonatori ottici non sono molto diversi dalle antenne di tutti i giorni.

Il campo elettrico oscillante della luce spinge gli elettroni su e giù per la lunghezza di ciascun conduttore nell'antenna. In un ricevitore, come un'antenna TV, questa corrente fluttuante viene rilevata ed elaborata. Ma c'è un effetto secondario all'opera: anche le cariche accelerate si irradiano. E il campo ri-irradiato generalmente differirà per polarizzazione, ampiezza e fase. Quanta differenza dipende dalla forma, dalle dimensioni e dall'orientamento di ciascun risonatore, ed è questo campo sparso che gli scienziati manipolano. La polarizzazione descrive la direzione del campo elettrico; l'ampiezza dà l'ampiezza delle oscillazioni; e la fase segna dove si trova l'onda nel suo ciclo. Insieme alla frequenza, sono sufficienti per descrivere completamente un raggio di luce.

Gli elementi ottici convenzionali alterano la fase e la polarizzazione della luce facendola passare attraverso materiale di spessore variabile. Gli spessori vanno misurati con cura, le curvature tagliate con precisione, per evitare errori e difetti. L'array di antenne è in grado di ottenere lo stesso impostando direttamente la polarizzazione, l'ampiezza e la fase della luce desiderate in ogni punto dello spazio, come se il raggio fosse appena passato attraverso una lente. In questo modo, l'onda viene costruita pixel per pixel, quasi digitalmente.

A una distanza inferiore a una lunghezza d'onda al di sopra dell'array, il nuovo raggio è già completamente formato. Questa svolta ci ha senza dubbio portato l'ottica più compatta che il mondo abbia mai visto. In un prossimo articolo su IEEE, i ricercatori riassumono i loro risultati. Esaminano la scienza dietro il loro nuovo metamateriale basato sull'antenna e ci aggiornano sui progressi che hanno fatto nella sostituzione dell'ottica convenzionale con queste alternative piatte.

Cos'è: Una classe di ottiche per lo più esenti dalle distorsioni comuni alle controparti convenzionali, facili da realizzare con metodi di stampa consolidati, ed essenzialmente bidimensionali.

Cosa non è: Queste antenne non sono ampiamente utili per gestire le lunghezze d'onda visibili della luce. Né questi componenti mantengono la polarizzazione, poiché diversi aspetti dell'onda (polarizzazione, fase, ampiezza) vengono manipolati insieme, il che limita le applicazioni. Un altro problema è l'inefficienza, a causa della loro dipendenza dal meccanismo di dispersione.

Ma anche con tale limitazione, come suggeriscono gli esempi sopra, ci sono ragioni sufficienti per essere eccitati.

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