Luce on-demand con le metasuperfici
Un gruppo internazionale di ricercatori, guidati da Giuseppe Della Valle del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, ha dimostrato la possibilità di utilizzare una metasuperficie attiva per manipolare le proprietà della luce in modo estremamente efficiente e ad altissima velocità. I risultati dello studio sono di cruciale interesse per lo sviluppo delle comunicazioni ottiche in spazio libero, in cui il trasferimento dell’informazione digitale è ottenuto in maniera robusta senza l’impiego di fibre ottiche.
Nello studio, da poco pubblicato su Nature Light: Science & Applications, i ricercatori hanno proposto una metasuperficie, un materiale ultrasottile e completamente sintetico, capace di indurre modulazioni estremamente efficienti della luce, arrivando a forti variazioni sia di intensità (>400%) che di polarizzazione (cioè della direzione di oscillazione dell’onda luminosa), per fotoeccitazioni a bassa intensità.
La straordinaria efficienza di questi processi è stata raggiunta sfruttando le peculiari proprietà del materiale semiconduttore fotoeccitato, in combinazione con un’ottimizzazione dei parametri geometrici della metasuperficie ottenuta attraverso simulazioni numeriche alla nanoscala (la scala spaziale dei metaatomi) e un raffinato apparato sperimentale per lo studio delle interazioni ultraveloci tra luce e materia.
Giulia Crotti e Mert Akturk, i ricercatori primi firmatari dell’articolo
Il gruppo di ricerca multidisciplinare ha progettato, fabbricato e testato un materiale nanostrutturato formato da fili di semiconduttore (arseniuro di gallio e alluminio) dello spessore di meno di un centesimo di capello (i cosiddetti metaatomi) disposti parallelamente tra loro a comporre una superficie sintetica, o metasuperficie.
Gli esperimenti condotti hanno dimostrato una performance da record nella modulazione della luce, e in particolare della polarizzazione luminosa, tramite impulsi laser di controllo. La fotoeccitazione laser permette infatti di modificare radicalmente le proprietà della metasuperficie, variandone la trasmissione del 470% in un picosecondo (un tempo brevissimo, pari a 1 miliardesimo di secondo).
Inoltre, per alcuni specifici colori della luce, questa strategia rende possibile modificare la direzione di oscillazione dell’onda luminosa, trasformandola da lineare a circolare, un effetto detto di “lamina a quarto d’onda” che qui viene attivato on demand a velocità senza precedenti.
Questi risultati sulle metasuperfici di arseniuro di gallio e alluminio suggeriscono un promettente approccio per ottenere la modulazione tutta-ottica della polarizzazione luminosa in modo molto efficiente. Inoltre, il concetto proposto e dimostrato nel lavoro può essere facilmente esteso ad altre piattaforme di semiconduttori e per altre proprietà della luce. Avere variazioni giganti di tali proprietà tramite impulsi di controllo a bassa potenza è di cruciale importanza per lo sviluppo di veri a propri dispositivi di interesse industriale, ad esempio per l’encoding e la manipolazione on-demand di segnali ottici per telecomunicazioni in spazio libero.
Giuseppe Della Valle, autore corrispondente dello studio e coordinatore del progetto METAFAST
Il lavoro coordinato dal Politecnico di Milano ha visto la partecipazione di ricercatori dall’Université Paris-Cité di Parigi che hanno fabbricato la metasuperficie, mentre la progettazione, le simulazioni numeriche e gli esperimenti sono stati condotti a Milano. Lo studio è stato portato avanti in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia, l’Università di Sofia (Bulgaria) e la Australian National University, ed è parte del progetto europeo H2020 METAFAST, che ha ricevuto finanziamento dall’Unione Europea.