Superfici ondulate per un migliore controllo della luce

L'importanza delle tecnologie basate sulla luce per la nostra società è emersa ancora una volta nelle ultime settimane. Grazie a Internet, milioni di persone possono lavorare da casa, entrare in aule virtuali o parlare con parenti e amici. Internet, a sua volta, deve le sue prestazioni a innumerevoli impulsi di luce, che vengono utilizzati per inviare enormi quantità di dati in tutto il mondo attraverso le fibre ottiche.

Per dirigere e controllare questi impulsi di luce vengono utilizzate diverse tecnologie. Una delle più antiche e importanti è il reticolo di diffrazione, utilizzato per deviare la luce di diversi colori in direzioni esattamente predeterminate. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di migliorare la progettazione e la produzione dei reticoli di diffrazione e di adattarli alle applicazioni più esigenti di oggi. All'ETH di Zurigo, i ricercatori guidati da David Norris, professore del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi, hanno sviluppato un metodo completamente nuovo per produrre reticoli di diffrazione più efficienti e precisi. Lo hanno fatto insieme a colleghi che ora lavorano all'Università di Utrecht e alla società Heidelberg Instruments Nano, fondata come Lavorare all'ETH SwissLitho. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica pagina esternaLa natura.

Interferenza di scanalature

I reticoli di diffrazione si basano sul principio dell'interferenza. Quando un'onda luminosa cade su una superficie scanalata, si divide in molte onde più piccole, ognuna delle quali proviene da una scanalatura. Quando queste onde lasciano la superficie, possono rafforzarsi o annullarsi a vicenda, a seconda della direzione di propagazione e della lunghezza d'onda (che è legata al colore). Questo spiega perché la superficie di un CD illuminato con luce bianca, su cui i dati sono memorizzati in sottili scanalature, produce un arcobaleno di colori riflessi.

Affinché un reticolo di diffrazione funzioni correttamente, le sue scanalature devono avere una distanza simile alla lunghezza d'onda della luce, cioè circa un micrometro, cento volte più piccolo di un capello umano. "Tradizionalmente, queste scanalature vengono incise sulla superficie del materiale con metodi di fabbricazione microelettronica", spiega Nolan Lassaline, dottorando del gruppo di ricerca di Norris e primo autore dello studio. "Tuttavia, questo significa che le scanalature del reticolo hanno pareti laterali angolari simili a scale. La fisica ci dice invece che le scanalature dovrebbero essere lisce e ondulate come la superficie increspata di un lago". Le scanalature prodotte con i metodi tradizionali possono quindi rappresentare solo un'approssimazione approssimativa, il che significa che il reticolo di diffrazione dirige la luce in modo meno efficiente. Grazie a un approccio completamente nuovo, Norris e i suoi collaboratori hanno trovato una soluzione a questo problema.

Trattamento della superficie con una sonda a caldo

Il loro approccio si basa su una tecnologia anch'essa nata a Zurigo. "Il nostro metodo è, per così dire, un pronipote del microscopio a scansione di tunnelling, inventato a Zurigo quasi quarant'anni fa da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, che in seguito hanno vinto il Premio Nobel", spiega Norris. In questo microscopio, le superfici dei materiali vengono scansionate ad alta risoluzione utilizzando una sonda estremamente appuntita. Le immagini risultanti mostrano persino i singoli atomi del materiale.

Al contrario, la sonda appuntita può essere utilizzata anche per lavorare un materiale e produrre così superfici ondulate (vedi immagine). Per fare ciò, i ricercatori riscaldano la punta di una sonda di scansione a quasi 1000 gradi Celsius e la premono in uno strato di polimero in determinati punti. In questo modo le molecole del polimero si rompono in questi punti e vaporizzano, consentendo di modellare con precisione la superficie. Punto per punto, gli scienziati possono scrivere qualsiasi profilo superficiale nello strato di polimero con una risoluzione di pochi nanometri. Infine, uno strato di argento viene depositato a vapore sul polimero e il profilo viene trasferito su un materiale ottico. Lo strato di argento può quindi essere rimosso dal polimero e utilizzato come reticolo di diffrazione riflettente.

"In questo modo possiamo produrre reticoli di diffrazione di forma arbitraria con una risoluzione di poche distanze atomiche nello strato di argento", spiega Norris. A differenza dei tradizionali solchi angolari, tali reticoli non sono più approssimativi, ma praticamente perfetti, e possono essere modellati in modo tale che l'interferenza delle onde luminose riflesse formi schemi controllabili con precisione.

Una varietà di applicazioni

Questi reticoli di diffrazione perfetti aprono nuove possibilità per il controllo della luce e portano a una serie di applicazioni, spiega Norris: "Ad esempio, la nuova tecnica può essere utilizzata per incorporare minuscoli reticoli di diffrazione in circuiti integrati che possono essere utilizzati per inviare, ricevere e distribuire segnali ottici per Internet in modo ancora più efficiente"."Lassaline aggiunge: "In generale, possiamo usare questi reticoli di diffrazione per creare dispositivi ottici altamente miniaturizzati, come micro-laser integrati in un chip". Questi dispositivi miniaturizzati, dice, vanno dagli obiettivi ultrasottili delle fotocamere agli ologrammi compatti con immagini più nitide. Si prevede che influenzeranno un'ampia gamma di tecnologie ottiche, come le futuristiche fotocamere dei telefoni cellulari, i biosensori o la visione artificiale autonoma per robot e auto a guida autonoma.