Il controllo della luce su ampie bande di frequenza rappresenta una delle sfide più complesse dell'ottica moderna. La dispersione cromatica, fenomeno intrinseco alle onde elettromagnetiche, causa aberrazioni che degradano le prestazioni dei sistemi ottici man mano che la larghezza di banda aumenta: gli angoli di propagazione si spostano, i punti focali si muovono e la risoluzione spaziale diminuisce. Ora un gruppo di ricerca dell'Università di Nanjing, guidato dai professori Yijun Feng e Ke Chen, ha sviluppato una strategia innovativa pubblicata su PhotoniX che permette di superare questi limiti attraverso metasuperfici capaci di controllare indipendentemente la luce con polarizzazioni circolari opposte su un'ampia banda di frequenze.
Le metasuperfici sono strutture planari costituite da array di meta-atomi, elementi subλ progettati per manipolare le proprietà della luce. Fino ad oggi, la maggior parte delle metasuperfici acromatiche esistenti operava efficacemente solo su un singolo canale di spin, oppure trattava entrambe le polarizzazioni circolari destra e sinistra (RCP e LCP) con lo stesso comportamento dispersivo. Questa limitazione ha impedito lo sviluppo di dispositivi compatti capaci di gestire simultaneamente più canali ottici con funzioni indipendenti, una caratteristica essenziale per sistemi di imaging multispettrale e sensori avanzati.
Il cuore dell'innovazione risiede in un approccio ibrido che combina due tipi distinti di fasi geometriche all'interno di un singolo strato di metasuperficie. La prima componente si basa sulla fase geometrica di Aharonov-Anandan (AA), che i ricercatori utilizzano per quello che definiscono "sblocco dello spin": distribuzioni asimmetriche di corrente all'interno di ogni meta-atomo fanno sì che le onde RCP e LCP vengano riflesse lungo percorsi differenti, rendendo possibile un controllo indipendente delle loro proprietà di fase e dispersione. La seconda componente sfrutta la fase di Pancharatnam-Berry (PB) per estendere l'intervallo di fase disponibile fino a coprire l'intero angolo di 2π, senza alterare significativamente il ritardo di gruppo progettato.
Dal punto di vista metodologico, il team ha ottimizzato la forza risonante dei meta-atomi per regolare indipendentemente il ritardo di gruppo di ciascuna polarizzazione circolare. Contemporaneamente, la sintonizzazione della frequenza e la rotazione locale delle strutture hanno permesso di impostare la fase mantenendo bassa l'interferenza indesiderata tra i canali. La rotazione globale, che introduce la fase PB, completa il quadro estendendo la gamma di controllo senza compromettere il design del ritardo di gruppo. Il risultato è una strategia progettuale pratica per metasuperfici acromatiche a doppio spin realizzabili in un singolo strato.
Le verifiche sperimentali hanno coinvolto dispositivi operanti nella banda 8-12 GHz. I ricercatori hanno realizzato due categorie di componenti: deflettori acromatici che mantengono angoli di deviazione stabili e dipendenti dallo spin su tutta la banda, e metalenti acromatiche che assegnano funzioni di focalizzazione differenti alla luce RCP e LCP preservando elevate prestazioni su un intervallo di frequenze esteso. Inoltre, il gruppo ha presentato progetti operativi nella banda terahertz 0,8-1,2 THz, dimostrando che i principi sviluppati non sono confinati a una singola regione dello spettro elettromagnetico ma costituiscono un framework di ingegneria della dispersione applicabile in modo trasversale.
Questa metodologia segna il passaggio dalle metasuperfici acromatiche monocanale a sistemi meta-ottici completamente indipendenti a doppio spin. Trattando le due polarizzazioni circolari come gradi di libertà genuinamente separati, l'approccio consente di integrare molteplici funzioni ottiche in dispositivi compatti. Le prospettive di sviluppo includono l'estensione del metodo al range visibile per applicazioni di imaging con multiplexing di polarizzazione e ottica integrata a banda larga. I ricercatori evidenziano inoltre che l'integrazione di metodi di progettazione inversa, inclusi algoritmi genetici e deep learning, potrebbe accelerare l'ottimizzazione dei dispositivi e facilitarne l'implementazione in sistemi reali, aprendo la strada a nuove generazioni di tecnologie ottiche multi-funzionali e multi-spettrali.
