Una schiera di nanoantenne per le immagini del futuro.

Fonte: LeScienze

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Per la prima volta un gruppo di ricerca del MIT è riuscito a integrare più di 4000 nanoantenne ottiche su un chip di mezzo millimetro per lato. Si realizza così l’obiettivo perseguito da decenni di replicare nel campo della fotonica i risultati ottenuti con le applicazioni delle onde radio, che grazie alle schiere di antenne in fase hanno avuto un notevole sviluppo. Gli autori prevedono come prime ricadute tecnologiche le tecniche di imaging su vetro ruvido, tessuti biologici o addirittura liquidi in fase turbolenta.

Le schiere di antenne sono molto utilizzate nella ricerca astronomica, perché consentono di ampliare enormemente la risoluzione delle immagini che si potrebbero ricavare con unico strumento. In un articolo pubblicato su “Nature”, a firma di Jie Sun e colleghi del Laboratorio di ricerca elettronica del Massachusetts Institute of Technology, viene ora descritto un microdispositivo che può essere pensato come l’equivalente di 4000 telescopi su un chip di mezzo millimetro per lato. Si tratta di una schiera nanofotonica in fase (NPA) su larga scala in cui sono integrate nanoantenne ottiche sulla superficie di un chip al silicio.
L’idea di utilizzare schiere di antenne con un’unica fonte di alimentazione non è nuova, e può essere fatta risalire alle intuizioni del fisico Ferdinand Braun, premio Nobel nel 1909 ex aequo con Guglielmo Marconi. Sfruttando la relazione tra le fasi delle antenne si riesce infatti a migliorare l’emissione di onde radio in una certa direzione, come è stato fatto nei decenni passati con le trasmissioni televisive e con il radar.

Ecco come appare, in una rappresentazione artistica, la schiera di 64x64 nanoantenne ottiche integrate sul chip (cortesia Jie Sun)

Questi ottimi risultati nella banda radio hanno spinto a sfruttare lo stesso principio nelle applicazioni ottiche, con l’obiettivo di migliorare anche in questo campo il controllo del fascio e della sua direzione. E in linea teorica, la lunghezza d’onda molto più breve delle radiazioni ottiche (fino a 700 nanometri contro il metro e più delle onde radio) avrebbe dovuto facilitare il compito di realizzare schiere di piccole dimensioni.

Sfortunatamente, due componenti fondamentali del dispositivo, gli accoppiatori, che alimentano ciascuna antenna con un’energia controllata, e gli sfasatori, necessari per controllare la fase di ogni elemento, hanno lunghezze d’onda caratteristiche di

decine o centinaia di volte più grandi, e questo finora ha fortemente limitato le applicazioni: le realizzazioni più recenti hanno dimensioni relativamente ampie e integrano schiere di 4x4 antenne.

Microfotografia di una singola nanoantenna (cortesia Jie Sun)

Il dispositivo di Sun e colleghi supera questi ostacoli grazie a un’attenta progettazione dei componenti, che ha consentito di realizzare una schiera di 64x64 unità d’antenna su un chip quadrato con un lato di poco più di mezzo millimetro. Ciascun pixel copre una superficie di 9x9 micrometri, con un lato perciò pari ad appena sei volte la lunghezza d’onda ottica.

Le possibili applicazioni del nuovo dispositivo riguardano principalmente le tecniche di imaging attraverso materiali che disturbano la propagazione della radiazione con un forte diffusione, come nel caso di vetri ruvidi o di tessuti biologici. In questi casi è fondamentale la calibrazione locale della radiazione ottica in modo da poter compensare la distorsione causata dal mezzo, una richiesta soddisfatta dalla NPA. Le prestazioni dimostrate dallo studio di Sun e colleghi consentirebbero di andare addirittura oltre, e di ottenere immagini in materiali in cui la diffusione continua a variare nel tempo, come nel caso dei liquidi turbolenti.