La lotta contro gli incendi boschivi e il monitoraggio delle minacce ambientali potrebbero presto avvalersi di una nuova generazione di sensori infrarossi capaci di operare senza sistemi di raffreddamento criogenico. Un gruppo di ricercatori australiani del Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) ha progettato un sistema di rilevamento basato su metasuperfici ottiche che promette di rivoluzionare l'efficienza dei sensori termici. L'innovazione risiede in lenti piatte più sottili di un capello umano, in grado di concentrare la radiazione infrarossa con una precisione senza precedenti, superando i limiti tecnologici che hanno finora frenato lo sviluppo di sensori compatti e ad alta risoluzione.
Il cuore della tecnologia opera nella banda spettrale dell'infrarosso medio (MWIR), specificatamente tra 3 e 5 micrometri di lunghezza d'onda, una finestra elettromagnetica particolarmente adatta per individuare sorgenti di calore sia di giorno che di notte. A queste lunghezze d'onda, le fiamme e altri corpi caldi emettono radiazione termica intensa, offrendo un contrasto termico ottimale per l'identificazione precoce di incendi o anomalie termiche. Tuttavia, il miniaturizzazione dei sensori MWIR ha sempre dovuto confrontarsi con due ostacoli fondamentali: la diafonia ottica, cioè il fenomeno per cui la luce si diffonde tra pixel adiacenti causando sfocatura, e il rumore elettronico intrinseco generato dai rivelatori stessi.
I sensori infrarossi funzionano secondo principi simili alle celle fotovoltaiche, utilizzando giunzioni PN che convertono i fotoni in segnali elettrici. Aumentare l'area di raccolta della luce per migliorare la sensibilità comporta però un incremento proporzionale della corrente di buio, un rumore elettronico di fondo che degrada il rapporto segnale-rumore. Le soluzioni attuali ricorrono al raffreddamento criogenico per ridurre questo disturbo, ma tale approccio aumenta drammaticamente costi operativi e complessità logistica, rendendolo inadatto per applicazioni sul campo o in postazioni remote. Come ha spiegato il dottor Tuomas Haggren, ricercatore presso l'Australian National University e membro di TMOS, il team ha ideato una soluzione elegante: focalizzare la radiazione infrarossa su rivelatori più piccoli, riducendo così la corrente di buio senza bisogno di raffreddamento.
La realizzazione pratica di migliaia di lenti microscopiche ha richiesto l'impiego di metasuperfici, strutture bidimensionali costituite da array di elementi nanoscopici con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Queste architetture artificiali possono manipolare le proprietà elettromagnetiche della radiazione in modi impossibili con materiali convenzionali. Il team ha progettato una metalens piatta monostrato capace di concentrare la radiazione MWIR direttamente sui pixel del rivelatore, utilizzando tecniche di litografia fotonica su scala wafer. Come descritto nello studio pubblicato su Journal of Electronic Materials nel 2025, i ricercatori hanno impiegato modelli elettromagnetici avanzati per ottimizzare la geometria dei nano-pilastri che compongono la metasuperficie.
Il dottor Wenwu Pan, ricercatore presso l'University of Western Australia e TMOS, ha sottolineato come diverse configurazioni di nano-pilastri siano state testate tramite simulazione per massimizzare l'efficienza di focalizzazione e minimizzare le perdite ottiche. La tecnologia consente di "modellare un film piatto monostrato per concentrare più luce dove serve", producendo un guadagno netto in sensibilità. A differenza delle lenti sferiche tradizionali, le metalens possono essere integrate direttamente nello stack del rivelatore mediante processi di microfabbricazione standard, aprendo la strada a produzioni su larga scala economicamente sostenibili.
L'applicazione più immediata riguarda il monitoraggio degli incendi boschivi, una priorità nazionale per l'Australia ma rilevante per tutte le regioni soggette a rischio incendi, compreso il bacino mediterraneo. I ricercatori propongono di montare questi sensori sulle torri della rete di telecomunicazioni esistente, creando una rete di sorveglianza continua a 360 gradi. Pan ha evidenziato che questa soluzione "colma una lacuna critica nella rilevazione scalabile ed economicamente accessibile degli incendi boschivi", offrendo contemporaneamente capacità di consapevolezza situazionale per applicazioni di sicurezza nazionale e difesa. La possibilità di operare a temperatura ambiente con basso consumo energetico rappresenta un vantaggio decisivo per l'impiego su piattaforme remote o mobili.
Il professor associato Gilberto Umana-Membreno dell'UWA e TMOS ha sintetizzato i tre progressi chiave del sistema: rilevamento nell'infrarosso medio per copertura continua a lungo raggio, funzionamento senza raffreddamento criogenico per affidabilità e basso consumo, e acquisizione dati in tempo reale per tempi di risposta ridotti. Le metalens progettate dal team non si limitano alla semplice focalizzazione: possono essere ottimizzate per eseguire elaborazioni ottiche avanzate, separando e manipolando diverse componenti della luce in base a polarizzazione, fase o lunghezza d'onda, caratteristiche potenzialmente sfruttabili per analisi spettroscopiche o riconoscimento di materiali.
Le implicazioni si estendono ben oltre il rilevamento termico: i sensori infrarossi trovano applicazione nel telerilevamento, nella visione notturna, nel monitoraggio ambientale, nella meteorologia, nell'astronomia, nella spettroscopia e nell'imaging medicale. La possibilità di miniaturizzare e migliorare l'efficienza di questi dispositivi potrebbe influenzare numerosi settori tecnologici. Umana-Membreno ha inoltre sottolineato le significative opportunità commerciali del progetto e la sua idoneità per diversi programmi di finanziamento, elementi cruciali per una rapida transizione dalla ricerca alla produzione industriale. I prossimi passi richiederanno la fabbricazione e caratterizzazione sperimentale dei prototipi per validare le previsioni teoriche e ottimizzare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi in condizioni operative reali.
