Un gruppo di ricercatori internazionali ha sviluppato una soluzione innovativa che potrebbe rivoluzionare la produzione di lenti per smartphone, droni e altri dispositivi compatti, superando le limitazioni fisiche che hanno finora ostacolato l'adozione su larga scala delle metalenti. La chiave del successo risiede in un approccio multistrato che combina diversi materiali metamateriali per ottenere prestazioni ottiche precedentemente impossibili da raggiungere.
Le limitazioni delle soluzioni tradizionali
Il team di ricerca, guidato dalla Friedrich Schiller University Jena in Germania nell'ambito del progetto International Research Training Group Meta-ACTIVE, ha dovuto affrontare una serie di vincoli fondamentali che affliggono le metalenti convenzionali. Joshua Jordaan, primo autore dello studio pubblicato su Optics Express e ricercatore presso l'Australian National University, spiega come inizialmente il gruppo abbia tentato di concentrare multiple lunghezze d'onda utilizzando un singolo strato, incontrando però ostacoli insormontabili.
"Si è scoperto che il massimo ritardo di gruppo ottenibile in una metasuperficie a singolo strato presenta limitazioni fisiche, che a loro volta stabiliscono limiti superiori per il prodotto tra apertura numerica, diametro fisico e larghezza di banda operativa", illustra Jordaan. Questo significava che per operare nelle gamme di lunghezze d'onda desiderate, una lente a singolo strato avrebbe dovuto avere un diametro molto piccolo, vanificando lo scopo del progetto, oppure un'apertura numerica così bassa da non riuscire praticamente a focalizzare la luce.
L'innovazione degli strati multipli
La soluzione è arrivata attraverso un cambio di paradigma verso una struttura multistrato che utilizza un algoritmo di progettazione inversa basato sull'ottimizzazione delle forme. Questo approccio ha permesso al team di creare una biblioteca di elementi metamateriali dalle forme sorprendenti: quadrati arrotondati, trifogli a quattro foglie e strutture simili a eliche, tutti caratterizzati da dimensioni di circa 300 nanometri di altezza e 1000 nanometri di larghezza.
Il software di ottimizzazione è stato guidato nella ricerca di forme di metasuperfici che, per una singola lunghezza d'onda, creassero risonanze semplici sia nel dipolo elettrico che in quello magnetico, note come risonanze di Huygens. Questo approccio ha consentito al team di sviluppare progetti di metalenti indipendenti dalla polarizzazione e con maggiori tolleranze nelle specifiche di produzione, aspetto cruciale per la scalabilità verso quantità industriali.
Applicazioni pratiche e prospettive future
Le potenzialità di questa tecnologia si estendono ben oltre la semplice miniaturizzazione. Come sottolinea Jordaan, il design presenta diverse caratteristiche che lo rendono applicabile a dispositivi pratici: "È facile da produrre perché ha un basso rapporto d'aspetto e ogni strato può essere fabbricato individualmente per poi essere assemblato, è anche insensibile alla polarizzazione e può essere potenzialmente scalato attraverso piattaforme mature di nanofabbricazione per semiconduttori".
Le metalenti multicolore risultanti hanno uno spessore pari a mere frazioni della larghezza di un capello, ordini di grandezza più sottili rispetto alle lenti convenzionali, e possono essere progettate per avere proprietà come lunghezze focali che sarebbero impossibilmente corte per l'ottica tradizionale. Tuttavia, l'approccio multistrato presenta anche alcune limitazioni, essendo attualmente limitato a un massimo di circa cinque diverse lunghezze d'onda.
Il problema, come spiega il ricercatore, è che "servono strutture abbastanza grandi da essere risonanti alla lunghezza d'onda più lunga, senza ottenere diffrazione dalle lunghezze d'onda più corte". Nonostante questi vincoli, la capacità di realizzare metalenti in grado di raccogliere molta luce rappresenterà un vantaggio significativo per i futuri sistemi di imaging portatili. "Le metalenti che abbiamo progettato sarebbero ideali per droni o satelliti di osservazione terrestre, poiché abbiamo cercato di renderle il più piccole e leggere possibile", conclude Jordaan, aprendo scenari interessanti per applicazioni che vanno dalla fotografia mobile all'osservazione spaziale.
La versatilità del sistema permette inoltre di creare configurazioni specializzate, come router cromatici che focalizzano diverse lunghezze d'onda in posizioni differenti, ampliando ulteriormente le possibilità applicative di questa tecnologia rivoluzionaria nel campo dell'ottica in miniatura.