Che cos'è una metasuperficie?

Le metasuperfici sono metamateriali su nanoscala: ultrasottili, planari e più piccoli della lunghezza d'onda della luce. Contengono nanostrutture e caratteristiche di lunghezza d'onda secondaria in grado di modificare la fase, la polarizzazione e l'ampiezza di un'onda luminosa incidente. Sebbene vi sia una maggiore attenzione sulla gamma di luce visibile, le metasuperfici possono essere utilizzate anche per manipolare le lunghezze d'onda infrarossa a onde medie e lunghe nelle applicazioni aerospaziali e di difesa.

I metamateriali sono materiali sintetici composti da blocchi su scala nanometrica noti come meta-atomi, disposti in pilastri o cilindri. Possiedono proprietà uniche non reperibili nei materiali naturali. I metamateriali sono usati per manipolare onde ottiche, acustiche e altre onde elettromagnetiche. Negli ultimi anni, i metamateriali sono stati un campo in rapida crescita di materiali avanzati e nanofotonici.

Le metalenti (note anche come meta-ottiche) sono un tipo speciale di metamateriale utilizzato in diversi componenti ottici per controllare e manipolare la luce. Le ottiche tradizionali stanno iniziando ad essere sostituite da metasuperfici ottiche molto più piccole. Le metalenti sono ottiche piatte, il che significa che le lenti e gli altri componenti ottici in cui sono utilizzate non hanno curvatura.

I cilindri o pilastri sulla superficie di metamateriali e metasuperfici possono manipolare e controllare il comportamento di diverse onde. I pilastri sono disposti in schemi periodici e consentono alla metasuperficie di interagire in modi diversi a seconda del progetto.

Le metasuperfici sono disponibili in forme e dimensioni diverse, tutte composte da blocchi unitari differenti. Possono essere realizzate con materiali diversi a seconda dell'applicazione e delle proprietà ottiche previste della metasuperficie.

I metamateriali acquisiscono capacità diverse a seconda della loro geometria o composizione del materiale. Ad esempio, alcuni metamateriali regolano semplicemente la fase della luce, mentre altri possono aiutare nella propagazione della luce.

Esistono due tipi principali di metasuperfici: dielettriche e plasmoniche. Tutte le metasuperfici possono contenere nanostrutture diverse per personalizzare ulteriormente le loro proprietà topologiche e ottiche, consentendo agli ingegneri di creare dispositivi ottici con proprietà multifunzionali.

Metasuperfici dielettriche

Le metasuperfici dielettriche mostrano un elevato contrasto dell'indice di rifrazione, in cui pilastri dielettrici o semiconduttori su scala nanometrica con sezioni trasversali quadrate o cilindriche sono circondati dall'aria. Le metasuperfici dielettriche tendono ad avere perdite di assorbimento inferiori rispetto alle metasuperfici plasmoniche perché utilizzano materiali trasparenti alla lunghezza d'onda di interesse, che coprono sia le lunghezze d'onda visibili che quelle infrarosse.

Alcuni dei materiali utilizzati nella produzione di metasuperfici dielettriche includono:

• Silicio (si)
• Nitruro di silicio (si₃N₄)
• Germanio (GE)
• Semiconduttori di gruppo III-V (GaA, GAP, ecc.)
• Niobato di litio (LiNbO₃)
• Biossido di titanio (Tio₂)
• Titanato di bario (BaTiO₃)
• Semiconduttori in materiale 2D (WS₂, GaSe, ecc.)

Metasuperfici plasmoniche

Le metasuperfici plasmoniche sono metasuperfici metalliche-dielettriche che contengono nanoparticelle plasmoniche o nanostrutture plasmoniche (come le antenne) sulla superficie. Queste sono disposte a distanze inferiori alla lunghezza d'onda dello spazio libero o alla lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica nel vuoto. Le metasuperfici plasmoniche fanno uso di plasmoni di superficie, che sono movimenti collettivi di elettroni al confine tra un metallo e un dielettrico (cioè un materiale isolante). Grazie alle loro dimensioni, i plasmoni di superficie possono aiutare gli ingegneri a controllare e utilizzare la luce su scale molto piccole in applicazioni come il rilevamento o l'imaging. L'argento e l'oro sono i due metalli più comuni utilizzati perché le loro proprietà ottiche supportano il comportamento dei plasmoni in superficie.

Le metasuperfici plasmoniche sono simili ai cristalli fotonici, in cui il pattern ripetuto dei metamateriali controlla il comportamento delle onde elettromagnetiche. I plasmoni sulla superficie del metamateriale si formano quando gli elettroni liberi nel metallo si muovono insieme in risposta alla luce. Quando la luce colpisce il metallo, parte della sua energia viene assorbita e fa oscillare gli elettroni. Questo comportamento di risonanza accoppia gli elettroni alle onde luminose, consentendo all'onda di propagarsi lungo l'interfaccia metallo-dielettrico in modo autosufficiente.

Nanostrutture nelle metasuperfici

Accanto al modello di ripetizione di base che definisce la cella unitaria dei meta-atomi, i metamateriali possono contenere una gamma di nanostrutture appositamente progettate che aiutano a ottimizzare le loro proprietà. Alcuni esempi di questo comportamento in azione includono:

• Antenne con nanometro sulla superficie del metamateriale. Queste piccole antenne possono essere piegate o dritte e la loro forma indica se hanno proprietà ottiche omogenee o non lineari.
• Piccole scanalature o aperture (chiamate nanopattern e nanoslit) possono essere realizzate in grafene o pellicole metalliche per cambiare il campo ottico. Queste caratteristiche modificano il comportamento della luce limitandola o aumentandone l'intensità.
• In alcuni casi, diversi strati di metamateriali nanostrutturati possono essere impilati uno sopra l'altro per contribuire a ridurre i riflessi e consentire alla luce di fluire più uniformemente attraverso il materiale. Questo processo è noto come adattamento dell'impedenza.

Geometria della metasuperficie con tre tipi di meta-atomo (pilastri triangolari, rotondi e quadrati)

I metalli stanno acquisendo interesse in diverse applicazioni e settori industriali.

Rilevamento

Il rilevamento è la più ampia e rilevante area di applicazione dei metalli, poiché le dimensioni compatte e la natura multifunzionale dell'ottica dei metamateriali consentono loro di funzionare bene in una varietà di applicazioni. 

Gli ingegneri che lavorano con i metalli possono selezionare specifiche lunghezze d'onda e polarizzazione della luce. Utilizzando i metamateriali, possono integrare sensori ultrasottili in fotocamere e smartphone, dove è possibile acquisire singoli fotoni per migliorare la qualità delle immagini e aggiungere funzionalità multiple ai dispositivi. Inoltre, i sensori avanzati basati su metasuperfici nel settore della difesa sono in grado di rilevare sia la luce infrarossa che quella visibile, sfruttando la polarizzazione per filtrare i riflessi. Le dimensioni compatte dei metalli sono interessanti anche per le applicazioni di imaging medicale, come gli endoscopi, in cui i sensori miniaturizzati sono fondamentali per aiutare i medici a vedere all'interno del corpo.

Automotive

Anche nell'industria automobilistica si stanno sviluppando diverse applicazioni per le metasuperfici. Un caso d'uso che riguarda direttamente il campo di rilevamento comporta la creazione di sensori lidar più avanzati, ampiamente utilizzati nei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e nei veicoli autonomi. L'altra applicazione principale è rappresentata dai fari molto piccoli e piatti per proiettare la luce in modo più efficiente dalla vettura.

L'industria automobilistica non ha ancora adottato in modo massivo le metasuperfici perché si tratta di un'area tecnologica altamente regolamentata e richiede una qualità costante tra tutti i dispositivi, escluse le sfide di fabbricazione legate alla realizzazione di metasuperfici ultra-sottili sin dal principio. Tuttavia, gli esperti prevedono che questo ambito sarà presto in rapida crescita.

Imaging

Come altre forme di ottica diffrattiva, la luce di diverse lunghezze d'onda interagisce in modo diverso con i metalli. Le diverse interazioni prodotte sono note come effetti cromatici. Questa funzione è utile per alcune applicazioni di imaging in cui può essere utile filtrare colori specifici. D'altra parte, forti aberrazioni cromatiche possono essere indesiderabili per le applicazioni di imaging a banda larga (ad esempio, che operano su un'ampia gamma di lunghezze d'onda). Tuttavia, lo sviluppo di metalli con funzionalità di imaging a banda larga è un'area di ricerca attiva.

Un esempio di utilizzo delle metasuperfici in campo medico è il miglioramento della risoluzione e della chiarezza delle immagini acquisite con endoscopi. Le metasuperfici possono causare uno spostamento di fase nella luce in entrata per ridurre le distorsioni (chiamate aberrazioni monocromatiche) ed estendere la profondità di messa a fuoco dell'endoscopio. Nei sistemi fotografici convenzionali, le metasuperfici possono combinare diverse misurazioni di polarizzazione all'interno della fotocamera in un singolo elemento ottico, riducendo così la necessità di componenti ingombranti. L'utilizzo di metasuperfici nelle fotocamere ha un potenziale nelle applicazioni di visione artificiale e di telerilevamento.

AR/VR

Oltre ad altri componenti ottici avanzati, le metasuperfici migliorano i visori AR/VR perché la loro natura sottile, leggera e piatta li rende ideali per proiettare immagini all'interno di un visore. Le proiezioni utilizzano un'onda guida ad ampia area, nota anche come guida luminosa, per indirizzare le immagini verso l'occhio. Le guide luminose sono molto più grandi rispetto alle piccole onde guida ottiche utilizzate nelle comunicazioni a banda larga.

I componenti ottici ingombranti costituiscono una quantità significativa del peso di un visore. Per essere comodi per chi li indossa, i visori AR/VR devono ridurre il più possibile l'ingombro, poiché il peso aggiunto provoca torsione sul collo di chi indossa il dispositivo. Le metasuperfici potrebbero contribuire a ridurre il peso di questi visori.

Spettrometria

Il comportamento fortemente cromatico dei metalli, insieme alle loro dimensioni compatte, li rende naturalmente adatti per applicazioni di spettroscopia. Le metasuperfici possono essere utilizzate in strumenti di spettroscopia ottica utili per applicazioni di caratterizzazione e diagnostica nell'industria alimentare e delle bevande, nonché in campo medico.

Gli ingegneri che progettano spettrometri spesso affrontano un compromesso tra risoluzione e dimensioni del dispositivo, poiché gli elementi di messa a fuoco negli spettrometri possono introdurre aberrazioni ottiche. Metasuperfici sottili e planari possono aiutare a creare lenti che mantengono alta risoluzione su un'ampia banda di frequenze, pur mantenendo le dimensioni ridotte dello spettrometro.

Le metasuperfici sono progettate utilizzando le stesse tecniche della produzione convenzionale di semiconduttori, come litografia, incisione e deposizione bottom-up. Pertanto, sono molto compatibili con le tecniche di produzione esistenti utilizzate nelle fonderie. Tuttavia, a causa delle loro dimensioni ridotte, è necessario un modello molto preciso per garantire che ciascun lotto di metasuperficie sia uniforme e possa garantire prestazioni elevate.

La creazione di prototipi per i metamateriali è un'attività complessa, costosa in termini economici e di tempo. Ogni prototipo metamateriale è prodotto su piccola scala, quindi non è sempre economicamente vantaggioso produrne. Ci sono anche grandi differenze tra i tipi di metasuperfici e le onde elettromagnetiche con cui sono progettati per funzionare. Ad esempio, c'è interesse per i metamateriali in grado di interagire con le lunghezze d'onda ultraviolette (UV), ma tendono a presentare una grande perdita ottica, cioè la perdita di intensità luminosa durante il viaggio o l'interazione con un materiale. Inoltre, questi tipi di metamateriali sono più difficili da produrre di quelli progettati per lunghezze d'onda visibili e a infrarossi.

Uso della simulazione nella progettazione delle metasuperfici

Uno dei modi più efficaci per progettare le metasuperfici è la simulazione, anziché i cicli di iterazione multipli dei prototipi. Ciò riduce il numero di prototipi necessari prima della produzione.

Sebbene le metasuperfici siano sottili, hanno una grande superficie contenente molte caratteristiche delicate a livello di nanoscala. Ciò comporta un costo di elaborazione elevato che richiede HPC (High Performance Computing) o GPU (Graphics Processing Unit) dalle prestazioni elevate per gestire i requisiti di memoria degli algoritmi del solutore.

Configurare questo hardware in modo indipendente può essere un'attività costosa, motivo per cui la collaborazione con fornitori di software specializzati può rendere il processo più conveniente e pratico. Per coloro che dispongono già delle risorse hardware, sono disponibili archivi di meta-atomi che forniscono raccolte di forme di pilastri producibili, agevolando così per gli ingegneri lo sviluppo di progetti più robusti in-house prima della produzione.

Uso delle soluzioni Ansys per la progettazione di metasuperfici

 La principale sfida progettuale delle metasuperfici è la progettazione su scale di dimensioni diverse (ad esempio, le celle unitarie con scala nanometrica devono essere disposte in ottica con scala centimetrica) e ciascuna scala richiede tecniche di simulazione diverse.

Un'altra sfida è che i metalli sono spesso soggetti a forti aberrazioni cromatiche. Ciò significa che le metasuperfici tendono a funzionare solo con la loro lunghezza d'onda prevista e a funzionare male a lunghezze d'onda per cui non sono state progettate. Tuttavia, questo può essere un vantaggio in alcuni progetti di metalenti, compresi quelli utilizzati per creare filtri ottici efficienti.

Alcuni progetti consentono inoltre agli ingegneri di creare metalenti con aberrazioni più deboli o acromatiche per portare diverse lunghezze d'onda allo stesso punto focale. In altri progetti, le metasuperfici possono facilitare la messa a fuoco della sub-diffrazione. Ora sono in corso di sviluppo metalenti sintonizzabili che utilizzano cristalli liquidi. Pertanto, è necessario prendere in considerazione molti elementi di progettazione diversi.

Ansys, parte di Synopsys, offre funzioni avanzate di simulazione delle onde elettromagnetiche (la piattaforma Ansys Lumerical) e il software per il ray tracing (Ansys Zemax OpticStudio) in grado di simulare tutti gli effetti dipendenti dalla lunghezza d'onda di una metasuperficie prima che venga presa una decisione sul progetto finale. Grazie alla compatibilità incrociata di questi due strumenti, i dati possono essere importati dalla piattaforma Lumerical al software OpticStudio per fornire informazioni su tutte le scale dimensionali. In questo modo, entrambe le simulazioni possono utilizzare gli stessi dati della metasuperficie per garantire che i risultati siano il più affidabili possibile prima dell'inizio della fase di prototipazione.

Considerato l'elevato costo computazionale della simulazione delle metasuperfici, gli algoritmi di apprendimento automatico forniscono un valido contributo nel ridurre i costi in tal senso. Invece di calcolare singolarmente ogni cella di unità, un metamodello addestrato funge da supporto per la simulazione, riducendo i requisiti di calcolo.

L'apprendimento automatico viene sfruttato anche nella progettazione inversa: un processo che funziona a ritroso individuando prima le strutture del materiale con le proprietà desiderate. Ciò è in contrasto con i metodi di progettazione tradizionali, che prevedono invece di iniziare prima con il materiale e poi di individuarne le proprietà. La progettazione inversa con apprendimento automatico individua strutture e geometrie di materiali specifiche che hanno le proprietà necessarie, rendendo la simulazione meno costosa.

L'apprendimento automatico sta inoltre migliorando le applicazioni delle metasuperfici. Nell'imaging, può essere utilizzato per ricostruire le immagini dopo che sono state acquisite, offrendo un grado di efficienza e flessibilità molto più elevato rispetto alle ottiche rifrattive tradizionali.

Per ulteriori informazioni su come la simulazione può supportare la progettazione e la produzione di componenti ottici più avanzati con le metasuperfici, contatta oggi stesso il nostro team tecnico.

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