Science, 3 Sep 93, Vol. 261, pg. 1272 - David Bradley - Alcuni materiali ottici presentano proprietà non lineari (NLO = Non Linear Optical). Il quarzo ad esempio se viene attraversato da una luce infrarossa laser abbastanza intensa risponde trasformando parte della luce in radiazione a frequenza doppia (verde). I materiali tradizionali NLO sono cristalli inorganici molto fragili e disponibili in dimensioni ridotte. Negli ultimi anni si sono studiati materiali organici, in particolare polimeri, che presentano queste proprietà e sono stabili fino a temperatura di 300 gradi. Le ricerche più avanzate hanno scoperto anche polimeri con effetto del terzo ordine che producono una frequenza tripla.
Science, 20 May 94, Vol. 264, pg. 1105 - Victor S.-V. Lin - I composti di porphyrina hanno interessanti proprietà di assorbire energia luminosa su ampio spettro e di convertire questa energia mediante elettroni liberi con applicazioni potenziali nei sensori fotoottici e magnetici, nella fotosintesi artificiale ed in catalisi. L’assorbimento dell’energia luminosa è ottenuta da una struttura di antenne molecolari che può essere ottimizzata per convertire l’energia radiante in energia chimica.
Science, 3 Mar 95, Vol. 267, pg. 1262 - Robert F. Service - Presso l’università di Yamagata in Giappone è stato realizzato il primo LED organico che emette luce bianca. Si usano più strati di semiconduttore organico fra due elettrodi. Elettroni e buchi si muovono dagli elettrodi verso i semiconduttori ed emettono fotoni la cui lunghezza d’onda dipende dalle proprietà del materiale. Uno strato di trifenildiammina (TPD) produce luce blu, uno strato intermedio di tri-8-quinolinolato di alluminio (Alq) emette luce verde e la stesso Alq drogato con una tinta organica detta Nile Red emette luce rossa. L’emissione equivale a 2000 candele per mq circa la metà della luminosità di un tubo fluorescente. Il problema è per il momento la vita molto al di sotto dei requisiti commerciali.
Science, 31 Mar 95, Vol. 267, pg. 1918 - Robert F. Service - Lo sviluppo di tecniche di comunicazione con sistemi ottici è basato sulla conoscenza e l’impiego di materiali noti come Non Linear Optical (NLO). I materiali di questa categoria negli ultimi 30 anni sono stati cristalli inorganici come il niobato di litio ed il quarzo, materiali costosi, fragili e difficili da integrare. Molto promettenti sembrano essere ora polimeri, semiconduttori e fibre di vetro iniziando così l’affermazione dei materiali organici. In particolare i polimeri si stanno affermando per i modulatori elettro ottici e le fibre di vetro e semiconduttori per gli switch ottici. I modulatori sono basati sul principio dell’interferometro di Mach-Zehnder che controlla l’interferenza fra due fasci di luce in modo da rinforzare o cancellare il fascio risultante; il controllo viene effettuato applicando una tensione che cambia l’indice di rifrazione in un canale. Gli switch ottici potranno superare le limitazioni dei circuiti a semiconduttori che oggi arrivano a 10 GHz. Tali switch utilizzano fibre di vetro in un dispositivo noto come “non linear optical loop mirror” (NOLM) simile all’interferometro di Mach-Zehnder; un raggio di luce viene diviso in due in un accoppiatore ottico e le due parti si richiudono in un lungo loop. Dentro il loop viene iniettato un impulso di controllo che, agendo sulla non linearità della fibra ottica, modifica lo sfasamento introdotto dal loop quanto basta per annullare o rinforzare il segnale emergente dall’accoppiatore. Il sistema può commutare impulsi con una velocità di 100 gigabit/sec.
Science, 31 Mar 95, Vol. 267, pg. 1921 - Robert F. Service - Le fibre ottiche usate per i collegamenti a grande distanza, capaci di trasmettere dati dell’ordine dei terabit/sec, sono poco adatti per coprire l’ultimo salto del collegamento locale a causa del costo eccessivo del sistema di giunzione. I cavi in rame, d’altra parte, non permettono di trasmettere simultaneamente in un’abitazione il limite ideale di 500 canali. Ora un gruppo di ricercatori giapponesi ha presentato una fibra ottica di plastica capace di trasmettere impulsi di luce a 2,5 miliardi di bits al secondo, 25 volte di più del più veloce cavo in rame. Il diametro della fibra inoltre è abbastanza grande da rendere più facili la connessione e l’installazione. Fino ad oggi le fibre ottiche di plastica, dette a step-index, creavano una dispersione del segnale durante la propagazione riducendo la banda a 100 milioni di bit al sec in 100 m di fibra. Le nuove fibre presentano un indice di rifrazione graduato dal centro alla periferia aumentando la velocità dei fotoni nelle zone periferiche della fibra equalizzando così i tempi di propagazione di tutti i percorsi.
Science, 23 Jun 95, Vol. 268, pg. 1702 - Robert F. Service - La trasformazione delle informazioni elettroniche in impulsi di luce e viceversa è importante per velocizzare lo scambio di informazioni fra chip dei computer. Poiché però componenti ottici e microchip sono realizzati con materiali diversi, risulta difficile a costoso integrali nella stessa struttura. In particolare l’arseniuro di gallio, che è alla base dei componenti ottici, non può essere accresciuto sui chip di silicio nello stesso processo di fabbricazione. L’alternativa di costruire gli elementi separatamente e poi assemblarli è lenta e costosa. Si sta ora sviluppando una nuova tecnica, detta di autoassemblaggio fluido mediante la quale elementi di semiconduttore laser a forma di piccole piramidi trascinate da un flusso turbolento di etanolo si inseriscono nelle piccole cavità di forma complementare create sul wafer di silicio. In pochi minuti tutte le piramidi trovano la loro sede. L’operazione è facilitata con un agitatore ultrasonico.
Science, 18 Aug 95, Vol. 269, pg. 920 - Robert F. Service - Le celle solari, sviluppate negli anni ’50 per fornire potenza elettrica ai veicoli spaziali, non hanno esteso molto il loro impiego ad applicazioni industriali a causa del loro costo. Una soluzione a questo problema potrebbe venire qualora si potessero impiegare nella loro realizzazione materiali organici come i polimeri. Uno degli inconvenienti dei polimeri è che non sono stabili quando sottoposti a luce intensa per cui si preferisce usarli come rivelatori. Una cella fotovoltaica organica è costituita da un doppio strato: uno costituito da composti accettori che attraggono gli elettroni e l’altro di composti donatori che attraggono i buchi. I fotoni generano coppie elettrone-buco che migrano fino a raggiungere la giunzione, a questo punto l’elettrone viene attratto dall’accettore ed il buco dal donatore e le cariche vengono raccolte dagli elettrodi, ma il 90% delle coppie elettrone-buco si ricombinano prima generando altri fotoni o calore. Notevoli progressi si sono ottenuti recentemente sperimentando polimeri diversi come accettore e donatore per formare una giunzione.
Science, 25 Aug 95, Vol. 269, pg. 1042 - Robert F. Service - La UNIAX Corp. di Santa Barbara in California ha annunziato un nuovo LED a polimeri molto promettente. Il nuovo dispositivo, detto LEC (light-emitting electrochemical cell), può emettere luce arancione, verde e blu a seconda del polimero con basse tensioni. Test di immagazzinaggio hanno superato durate di un anno senza degradazione, ora si sta determinando se la vita in funzionamento supera le migliaia di ore.
Science, 13 Oct 95, Vol. 270, pg, 250 - David M. Walba - Tutte le recenti tecnologie di trasmissione delle informazioni hanno un problema comune: necessità di alte velocità di trasferimento dati. La codifica ottica delle informazioni e l’uso di materiali elettroottici capaci di integrarsi con componenti elettronici al silicio è la strada per una soluzione. Fra i nuovi componenti vi sono i quelli detti Ferroelectric Liquid Crystal (FLC): materiali organici con domini ferroelettrici dalle dimensioni di qualche micron, allo stato liquido e con proprietà polari. La velocità di conversione dei dati in forma ottica è di 0,5 Gbit/s e una nuova generazione dovrà arrivare ai 10 Gbit/s; si potranno usare per display a colori. Modulatori elettroottici ad alta velocità sfruttano invece altri materiali organici con proprietà di non linear optic (NLO) che sfruttano il moto di elettroni invece di quello di molecole o atomi.
Science, 21 Jun 96, Vol. 272, pg. 1744 - Robert F. Service - I progressi su materiali fotovoltaici più economici del silicio cristallino si sono avuti con due tipi di combinazioni: cadmio e tellurio (CdTe) o rame-indio-selenio (CIS); ora una nuova combinazione di rame-indio-gallio-selenio (CIGS) ha raggiunto un rendimento del 18% avvicinandosi alle migliori celle di silicio cristallino. Il costo della potenza elettrica generata con celle al silicio varia oggi da 3,5 a 4 US$ per watt; con i nuovi dispositivi si potrebbe arrivare a 0,5 US$/W prezzo competitivo con quello dei generatori a gas, ma con il CIGS esistono ancora dei problemi, ad esempio è difficile depositarlo su vaste superfici, i pannelli a SIGS sono invece tossici perché composti di metalli pesanti ed hanno un problema di riciclaggio del materiale alla fine della vita.
Science, 16 Aug 96, Vol. 273, pg. 878 - Robert F. Service - I fotoemettitori plastici in materiali organici per l’uso nei display per computer e TV stanno facendo grandi progressi. I primi materiali bruciavano dopo pochi giorni o settimane di funzionamento. In maggio i ricercatori della Kodak hanno dimostrato un emettitore organico con una luminosità metà di un tubo fluorescente che ha funzionato ininterrottamente per 6000 ore. Raggiungere 10000 ore di funzionamento è più che sufficiente per display alfanumerici. La Uniax (USA) ha dimostrato un dispositivo a polimero che ha funzionato per 10000 ore con una luminosità di 100 cd/mq. Ci sono ancora dei problemi, ad esempio la tendenza a degradarsi se esposti al vapor acqueo e questo costringe a sigillarli rendendoli più pesanti e non più flessibili.
Science, 28 Jul 2000, Vol. 289, pg. 557 - E. Yablonovitch - I cristalli fotonici sono strutture dielettriche tridimensionali con una banda proibita alle onde elettromagnetiche analoga alla banda proibita dei semiconduttori che è alla base della tecnologia del silicio. Questa banda fotonica permette di intrappolare la luce e permette di realizzare componenti ottico-elettronici ad alta miniaturizzazione. I primi cristalli fotonici sono stati realizzati circa 10 anni fa, ma erano strutture grandi e le bande fotoniche erano adatte alle lunghezze d’onda centimetriche. Da allora si è lavorato per ridurre le strutture e portarle alle bande ottiche fra 1,3 e 1,55 micrometri. I materiali fotonici debbono avere un indice di rifrazione maggiore di 2 e viene preferito il GaAs perché combina proprietà ottiche ed elettroniche. Altri materiali utilizzati sono l’ossido di titanio ed il silicio ed ultimamente si sono ottenuti buoni risultati anche con configurazioni bidimensionali su film di semiconduttori. L’applicazione è per le comunicazioni ottiche ad alta velocità.
Science, 6 Apr 2001, Vol. 292, pg. 60 - M. C. K. Wiltshire - L’indice di rifrazione è una proprietà fondamentale dei materiali ottici e misura quanto rallenta la velocità della luce entrando nel mezzo. Questa proprietà determina il comportamento delle lenti, dei prismi ed è alla base del progetto di tutti gli strumenti ottici. L’aria ed il vuoto hanno un indice di rifrazione n = 1, il vetro ha n compreso fra 1,5 e 1,8 ed altri materiali possono arrivare a 2,2. Questa proprietà si estende anche alle altre lunghezze d’onda; per gli infrarossi il germanio ha n = 4 ed il teflon è usato per lenti a radiofrequenza, ma n è sempre positivo e generalmente maggiore dell’unità. L’indice di rifrazione deriva dalle equazioni di Maxwell ed è pari alla radice quadrata del prodotto fra le costanti dielettriche e magnetiche relative del mezzo. Si possono avere costanti dielettriche e magnetiche relative di segno negativo, ma se nello stesso mezzo sono di segno opposto non ci può essere propagazione perché n sarebbe immaginario. Valore negativo della costante dielettrica relativa presenta il plasma, ma lo si può ottenere anche con materiali artificiali microstrutturati, o metamateriali, con costituenti dalle dimensioni inferiori alle lunghezze d’onda della radiazione con cui devono interagire ad esempio fili metallici sottili che simulano il plasma. Analogamente una costante magnetica relativa negativa può essere realizzata con micromagneti o anelli conduttori risonanti. Combinando strutture a costante dielettrica e magnetica relative negative l’indice di rifrazione diviene reale, ma per motivi di conservazione dell’energia si deve assumere il segno negativo della radice quadrata e viene interpretato quindi come indice di rifrazione negativo. Con un indice di rifrazione negativo la radiazione viene deviata sul lato opposto a quello normale, le lenti cambiano segno, un foglio piano focalizza e l’effetto doppler si inverte. Anche il fronte d’onda di propagazione si inverte, ma si tratta della velocità di fase mentre la velocità di gruppo, con cui viene trasportata l’energia, continua a propagarsi in modo diretto. I metamateriali però si comportano in modo molto dispersivo.
Science, 10 Aug 2001, Vol. 293, pg. 1059 - Jenny Nelson - Nella ricerca di celle solari flessibili, ultrasottili e costo-efficienti stanno emergendo come i più promettenti i solidi molecolari. Solidi molecolari solubili emettitori di luce sono già usati come display ottici. Le cellule solari fatte di questi materiali hanno i benefici di una bassa tecnologia e di metodi di larga produzione che riducono notevolmente i costi rispetto ai materiali fotovoltaici cristallini. Fino ad ora i sistemi basati sui materiali molecolari solidi hanno avuto bassa efficienza. Una cella solare di materiale organico semiconduttore è ottenuta disponendo questo materiale come in un sandwich fra due elettrodi, ma le coppie di elettroni-buchi (eccitoni) si dividono solo se si formano a pochi nanometri dal contatto mentre per assorbire la luce sono necessarie alcune centinaia di nanometri; l’efficienza di conversione è quindi bassa ed il rapporto fotoni-incidenti/corrente (QE o quantum efficiency) è sotto l’1% mentre per i dispositivi inorganici si avvicina al 100%. Una soluzione è stata trovata nel 1995 unendo due materiali con affinità diverse per le cariche positive e negative: nell’interfaccia fra i due materiali la differenza di affinità genera una forza che divide la coppia elettrone-buco e le cariche così separate si muoveranno verso il contatto lungo il materiale affine. Si è raggiunto così il 50% di QE ed una conversione di potenza del 2%. Il QE è ancora basso perché se nel materiale si formano dei domini isolati, non in comunicazione con l’elettrodo corrispondente, le cariche vengono intrappolate e si ricombinano. La soluzione è stata trovata utilizzando come materiale per il trasporto dei buchi un materiale microscopico capace di auto-ordinarsi, un liquido a cristalli discoidali che si dispongono in colonna perpendicolarmente ai due elettrodi e questo assicura un efficiente trasporto dei buchi. Infine il miglior risultato si è ottenuto usando perylene che trasporta gli elettroni e lo hexabenzocoronene che trasporta i buchi, questi materiali si dispongono a strati perpendicolari agli elettrodi ed il QE si avvicina al 100%. I problemi che rimangono sono il basso assorbimento della luce, l’alta resistività e l’incerta stabilità fisica e chimica. L’assorbimento può essere esteso alle radiazioni rosse modificando le molecole, la resistività può essere diminuita aumentando la mobilità nei materiali e con il drogaggio, la stabilità si migliora agendo sui processi e nella scelta dei materiali. Il lavoro è molto, ma la strada è promettente.
Science, 12 Mar 2004, Vol. 303, pg. 1597 - Kim Krieger - Secondo le leggi dell’ottica non si possono evidenziare dettagli inferiori alla lunghezza d’onda della luce usata, ma i fisici hanno scoperto un tipo completamente diverso di lenti capaci di una risoluzione perfetta. Le nuove lenti lavorano nella banda delle microonde dello spettro elettromagnetico e sono ottenute con un materiale plastico piano inserendovi una griglia di conduttori che formano capacità ed induttanze creando un materiale con indice di rifrazione negativo. Questo materiale deflette le onde in senso opposto a quello dei normali materiali ottici ed una lente piatta può risolvere oggetti le cui dimensioni sono di 1/6 della lunghezza d’onda a microonde usata. Questa super risoluzione sfrutta le cosiddette onde evanescenti che vengono soppresse nelle lenti convenzionali. La nuova lente è stata annunziata da un team dell’università di Toronto ed oggetto ed immagine possono stare distanti dalla lente. Alcuni fisici avevano ritenuto impossibile la realizzazione di materiali ad indice di rifrazione negativo, ma nel 2003 i ricercatori hanno realizzato questo materiale ed hanno cominciato ad usarlo. Il mese scorso i fisici dell’Istituto per l’Elettromagnetismo Teorico ed Applicato di Mosca avevano annunziato una lente a super risoluzione, ma la loro tecnica richiedeva che l’oggetto fosse quasi a contatto con la lente rendendola inutilizzabile nelle applicazioni.
Science, 6 Aug 2004, Vol. 305, pg. 788 - D. R. Smith - Quando la luce passa in un materiale trasparente, poiché la sua lunghezza d’onda è centinaia di volte più grande degli atomi del materiale, i dettagli atomici non hanno importanza su come la luce interagisce perché intervengono due parametri macroscopici detti permittività elettrica (ε) e permeabilità magnetica (μ). Su questi due parametri possono influire strutture molto più piccole della lunghezza d’onda, ma molto più grandi degli atomi e se si inseriscono tali strutture nel materiale si possono creare dei materiali artificiali o metamateriali. Questi metamateriali possono offrire proprietà elettromagnetiche che non esistono naturalmente e produrre fenomeni che senza di essi si possono analizzare solo teoricamente. Nel 1999 sono stati realizzati materiali artificiali con elementi conduttivi a forma di anelli che producono una risposta magnetica alle microonde ed a frequenza più bassa senza avere materiali magnetici. Questi materiali si possono usare nelle tecniche di Magnetic Resonant Imaging (MRI) dove ad un campo magnetico statico (0,2-3 tesla) si sovrappone un altro campo con impulsi a radio frequenza (8,5-128 MHz) che eccitano il materiale. Per applicazioni MRI gli elementi risonanti da inserire sono costituiti da strisce metalliche isolate avvolte su un cilindro: 11 spire su un cm di diametro danno una risposta risonante a 21 MHz ed alla risonanza si produce una permeabilità magnetica molto alta. Per frequenze alte fino a quelle ottiche si usano strutture dette Split Ring Resonator (SRR) con strutture planari aventi anelli concentrici ciascuno con un’interruzione realizzati con metodi litografici. Se alla risonanza si ha un’esaltazione della forza applicata, al di sopra della risonanza la risposta è opposta alla sollecitazione applicata e quindi una risposta negativa della permeabilità magnetica o della permittività elettrica. Materiali trasparenti come il vetro hanno ambedue ε e μ positivi, materiali come l’oro o l’argento hanno ε negativo nello spettro visibile e, poiché μ è positivo, sono opachi alla luce. Per un materiale trasparente si definisce l’indice di rifrazione n = (ε*μ)^0,5 e la velocità di propagazione è n volte più bassa che nel vuoto. Con i materiali artificiali si può pensare di realizzare epsilon e mu ambedue negativi e, essendo la radice quadrata del loro prodotto un numero reale, il materiale sarà trasparente alla luce. Con un tale materiale si verificano fenomeni strani; ad esempio l’effetto doppler è invertito e la radiazione di Cherenkov viene emessa nella direzione opposta a quella del moto della particella e questa stranezza è dovuta al fatto che velocità di gruppo e velocità di fase si muovono in direzioni opposte quando ε e μ sono ambedue negativi. A causa di questa inversione l’indice di rifrazione n deve essere considerato negativo. Finché un tale materiale non è stato realizzabile l’interesse di questi studi è stato nullo, ma nel 2000 si sono realizzate strutture SRR con ambedue ε e μ negativi per frequenze superiori a quella di risonanza della SRR e sono stati introdotti fra gli anelli dei fili che presentano una frequenza di cutoff sotto la quale anche la ε è negativa. L’indice di rifrazione di questo materiale può essere determinato misurando la deflessione del fascio quando entra ed esce dal materiale secondo la legge dei seni di Snell. Con n negativo la deflessione avviene sullo stesso lato della normale. Le esperienze sono state eseguite nella banda delle microonde verificando la validità della legge di Snell e cominciando ad investigare su altri fenomeni legati all’indice di rifrazione negativo. Uno di questi è la formazioni di lenti ed il limite di risoluzione. La risoluzione è normalmente limitata dalla lunghezza d’onda, ma in realtà dipende da come sono formate le immagini dalla lente. Con un indice di rifrazione negativo una lente è costituita da una piastra del metamateriale di un certo spessore e la focalizzazione è perfetta anche per il campo vicino evanescente, è quindi improprio parlare di lente perché ha facce piane e parallele. Con l’indice di rifrazione negativo si può parlare di spazio negativo perché l’immagine viene traslata di uno spazio 2D, se D è lo spessore della lente e si può parlare di lente perfetta che produce un fuoco migliore ed una migliore risoluzione. Per distanze molto brevi ci si può
concentrare solo sul campo elettrico e quindi su ε = -1 ignorando il campo magnetico ed usando ad esempio una piastra di argento di pochi nanometri di spessore; gli esperimenti hanno dimostrato con questo sistema l’amplificazione della luce in accordo alle previsioni. Altri ricercatori stanno indagando su strutture periodiche note come cristalli fotonici, materiali tipicamente isolanti e quindi a basse perdite anche alle frequenze ottiche. Nei cristalli fotonici la periodicità della struttura è dell’ordine della lunghezza d’onda e non è quindi un mezzo omogeneo in cui si possa definire un valore di ε e di μ. Tuttavia si possono avere fenomeni di diffrazione in cui le velocità di fase e di gruppo sono invertite come per l’indice negativo. I cristalli fotonici sono stati usati per dimostrare focalizzazioni con risoluzione ad 1/5 della lunghezza d’onda nella banda delle microonde.
Science, 17 Dec 2004, Vol. 306, pg. 2034 - Robert F. Service - I ricercatori hanno fatto recentemente grandi progressi nel trasformare materiali organici in emettitori di luce e circuiti logici per i computer, ma il loro sogno di ottenere nuove celle solari organiche che siano economiche e di facile costruzione è stato ostacolato dalla bassa efficienza di conversione della luce solare in elettricità. Tuttavia alla recente riunione della Materials Research Society a Boston, Massachusetts, (29 nov.-3 ott.) si sono aperte speranze di aumentare l’efficienza da pochi percento al 6%. Le prime celle solari organiche sono state sviluppate nel 1986 e gli esperti dicono che l’efficienza dovrebbe raggiungere il 10% per imporsi sul mercato, ma già raggiungere il 6% è un’impresa difficile. Un primo problema è lo scarso assorbimento del materiale. Un primo strato viene disposto per assorbire i fotoni, ma se è troppo spesso li trasforma in calore prima di convertirli in elettricità. Quando il fotone viene assorbito crea una particella nota come eccitone cioè un elettrone eccitato legato alla sua carica opposta o ”buco”. Per generare elettricità questi eccitoni devono trovare la loro strada fino ai confini della cella dove sono raccolti dall’elettrodo positivo e sfortunatamente essi percorrono piccole distanze prima di ricombinarsi con i buchi e dissipare la loro energia in calore. Il team di ricercatori della Princeton University ha cominciato con il disporre strati di materiali differenti che assorbono i fotoni e favoriscono il moto degli eccitoni. Per aumentare poi la probabilità di separare le cariche degli eccitoni si sono aggiunti degli strati di interfaccia che spingono elettroni e buchi verso gli opposti elettrodi. Da ultimo le celle sono state sistemate sovrapposte in modo che la luce non assorbita dalla prima venga assorbita dalla seconda. La struttura risultante ha incrementato notevolmente l’efficienza, ma non è ancora sufficiente per il mercato. Il team conta ora di aggiungere uno strato antiriflettente per ridurre la luce riflessa, si dovrà poi provare che il materiale sopporti una lunga esposizione agli agenti atmosferici, temperatura, pioggia, neve, ghiaccio e vento, e tutto dovrà funzionare perfettamente per raggiungere un’efficienza del 6%.
Science, 22 Apr 2005, Vol. 308, pg. 502 - David R. Smith - Nel 1968 Veselago ipotizzò un materiale il cui indice di rifrazione poteva essere negativo a differenza di ogni altro materiale e fece notare che questo avrebbe rovesciato quasi tutti i noti fenomeni dell’ottica. Fra tanti scetticismi la rifrazione negativa ha avuto nel 2001 la sua conferma sperimentale con un materiale a struttura artificiale alle frequenze delle microonde. Una delle più controverse predizioni che sono emerse da questa attività fu avanzata da Pendry suggerendo che un sottile film con indice di rifrazione negativo avrebbe funzionato come una superlente dando immagini con una risoluzione oltre i limiti di diffrazione a cui sono soggette le lenti con indice positivo. Ora Nicholas Fang conferma queste previsioni attribuendo questo effetto al meccanismo di rifocalizzazione delle onde evanescenti. Le convenzionali lenti ad indice di rifrazione positivo richiedono superfici curve mentre quelle ad indice negativo sono semplicemente piatte ed una lastra di materiale con indice -1 può produrre un’immagine; i raggi divergenti da un oggetto vicino sono rifratti negativamente sulla prima superficie della lastra invertendo la loro traiettoria e convergendo in un fuoco entro il materiale; i raggi divergono poi da questo fuoco e sono rifratti negativamente dalla seconda superficie convergendo in una seconda immagine fuori dalla lastra. Pendry ha trovato che la spiegazione di Veselago non diceva tutto perché il campo elettromagnetico di un oggetto include oltre alle onde di propagazione un campo vicino di onde evanescenti che trasporta i dettagli più fini dell’oggetto, ma che non può essere utilizzato da una lente convenzionale ad indice di rifrazione positivo che quindi risolve l’oggetto fino al limite di mezza lunghezza d’onda, il limite di diffrazione. Pendry trovò che una lastra di materiale ad indice di rifrazione negativo rifocalizza anche le onde evanescenti almeno in massima parte. L’onda evanescente decade esponenzialmente davanti all’oggetto, ma ricresce esponenzialmente all’interno della lente ad indice negativo; uscendo dalla lente decade di nuovo fino a raggiungere il piano dell’immagine dove ha la stessa ampiezza di quanto è partita e quindi i dettagli dell’oggetto possono essere recuperati al di là del limite di diffrazione. Un materiale ad indice negativo richiede che siano minori di zero sia la permittività elettrica che la permeabilità magnetica. Alle frequenze ottiche non ci sono materiali con permeabilità negativa e quindi non si potrebbero ottenere superlenti alle lunghezze d’onda ottiche. Tuttavia su spessori minori di una lunghezza d’onda gli effetti del campo elettrico e magnetico sono disaccoppiati e solo uno dei due parametri può essere negativo. Poiché l’argento ha permittività dielettrica minore di zero, un sottile film di questo metallo può funzionare da superlente a patto che la sua superficie sia perfettamente piana ed il suo spessore venga ottimizzato. La dimostrazione richiede oggetti di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda e nelle prove di Fang si è visto come la riproduzione dei dettagli era inferiore ai 90 nanometri. L’oggetto era una scritta con linee molto sottili da 40 nanometri.
Science, 16 Dec 2005, Vol. 310, pg. 1762 - Robert F. Service - Nei soli Stati Uniti l’illuminazione assorbe 6 quadrilioni BTU di energia ogni anno, il 17% di quella usata negli edifici. Le lampadine ad incandescenza trasformano il 90% dell’energia in calore; le lampade fluorescenti funzionano meglio convertendo il 70% dell’energia in luce ed i ricercatori hanno lavorato decenni per trovare nuovi semiconduttori del tipo LED (light-emitting devices) che facciano anche meglio. LED rossi e di altri colori, che usano composti inorganici, sono oggi largamente usati in applicazioni di nicchia e LED bianchi di materiale organico sono già nel mercato; tutti però sono troppo costosi per l’uso nell’illuminazione Ora si affaccia un nuovo competitore. In una recente riunione della Materials Research Society del 28 nov-2 dic. scorso, ricercatori del Giappone, Germania e Stati Uniti hanno riferito sui progressi nella realizzazione di sorgenti luminose usando film di materiale organico poco costoso. Potenzialmente la fabbricazione di pannelli luminosi sarebbe economica ed il primo dispositivo con Organic Light-Emitting Diodes (OLED) bianco dovrebbe uscire sul mercato nel 2007 secondo un ricercatore della Princeton University. Fino ad ora l’interesse sugli OLED era per la realizzazione di display piatti, dai telefoni cellulari alle TV da parete, ed in questo campo il vantaggio era nell’essere molto sottili indipendentemente dall’efficienza. Per l’illuminazione devono diventare più efficienti ed economici ed ora si sta verificando un progresso impressionante. Alla riunione, un esperto dell’università giapponese di Yamagata ha riferito sulla realizzazione di OLED bianchi con efficienza di 57 lumen/watt (lm/w), vicino all’efficienza delle lampade fluorescenti e 4 volte superiore a quella delle lampade ad incandescenza che hanno un valore tipico di 15 lm/w. Il pannello è realizzato disponendo un sandwich di materiale emettitore fra due elettrodi. Le cariche elettriche passando dagli elettrodi nel materiale producono fotoni, ma i primi dispositivi avevano bassa efficienza e richiedevano alte tensioni. Il primo progresso è stato nel passare da materiali emettitori fluorescenti a materiali fosforescenti. In tutti i materiali organici la corrente crea coppie elettroni-buchi detti eccitoni che decadono in fotoni o calore. Il contributo di energia dello spin produce due tipi di eccitoni: 25% di singlet e 75% di triplet, ma mentre i materiali fluorescenti convertono in fotoni solo i singlet, i fosforescenti li convertono entrambi in fotoni migliorando l’efficienza. Un team USA sfrutta una combinazione di materiali fosforescenti e fluorescenti e si sfruttano gli eccitoni singlet, che hanno una maggiore energia e decadono più rapidamente, per generare la luce blu mentre i triplet a più bassa energia servono per gli altri colori, rosso e verde. Il materiale fluorescente che produce la luce blu è posto al centro del sandwich dove si formano gli eccitoni, fra i due strati fosforescenti che producono il verde ed il rosso rispettivamente, così i singlet possono generare subito la luce blu al centro mentre i triplet la producono negli strati fosforescenti. Ambedue i team, giapponese e USA, affermano che si potrà ancora aumentare l’efficienza ricoprendo il sandwich con uno strato antiriflettente perché molti fotoni vengono riflessi indietro nell’interfaccia aria vetro e riassorbiti. Anche il team dell’università di Dresda in Germania è convinto che gli OLED sorpasseranno l’efficienza delle lampade fluorescenti, ma se saranno economici e stabili è un altro problema. Gli OLED convenzionali che richiedono di depositare nel vuoto 10 e più strati di materiali sono ancora relativamente costosi. Dispositivi più semplici ed economici con un unico strato di polimero raggiungono ora solo i 16 lm/w e potrebbero già rimpiazzare la lampade ad incandescenza.
Science, 26 May 2006, Vol. 312, pg. 1162 - Adrian Cho - Materiali in corso di sviluppo potrebbero guidare la luce e le radiazioni elettromagnetiche intorno ad un oggetto e renderli invisibili. Nel prossimo futuro questi materiali avvolgenti potrebbero schermare apparecchiature delicate da onde radio o campi elettrici e magnetici pericolosi. Rendere invisibile un oggetto potrebbe diventare una realtà in grazia di nuovi metamateriali che si comportano con i campi elettromagnetici in modo controllabile. Dall’Imperial College London e dall’Università di St. Andrew, UK, vengono proposti dei metamateriali che trasferiscono la luce intorno ad un oggetto ed un osservatore può vedere ciò che c’è dietro l’oggetto come se questo non ci fosse. I teorici spiegano che la luce cerca sempre il percorso più breve fra due punti e questo non è sempre una linea retta perché la luce si muove con velocità diverse nei diversi materiali. Dentro ogni materiale la luce ha due velocità. Una è quella dell’onda di una certa frequenza e l’altra quella con cui fluisce l’energia e l’informazione. Solo la seconda deve rimanere inferiore alla velocità della luce nel vuoto e questo succede anche nei metamateriali. L’invisibilità inoltre non è perfetta e funziona solo in un campo ristretto di lunghezze d’onda. I ricercatori sanno come progettare i metamateriali per ottenere queste proprietà almeno nel campo delle onde radio. Sistemi schermanti per onde radio potrebbero essere disponibili entro 5 anni, ma questi sistemi non sono adatti per spiare perché non si può essere visti, ma non si può nemmeno vedere.
Science, 20 Oct 2006, Vol. 314, pg. 403 - Adrian Cho - Solo dopo 5 mesi dalla previsione, un team di fisici ha realizzato un dispositivo che rende un oggetto invisibile almeno quando viene osservato alle microonde di una particolare lunghezza d’onda. L’involucro non è perfetto, invece di essere una sfera, è un anello e funziona solo per le microonde che arrivano sul suo piano e sono polarizzate in modo perpendicolare ad esso. Anche così l’involucro riflette qualcosa e lascia un’ombra. Il dispositivo conferma la teoria di John Pendry dell’Imperial College di Londra e dei ricercatori David Schurig e David Smith del dipartimento della Duke University del North Carolina. Il team ha dimostrato il principio che è possibile convogliare le onde elettromagnetiche, come la luce, intorno ad un oggetto circondandolo con un metamateriale formato da piccoli bastoncini ed anelli a forma di C. Le onde transitano come se l’oggetto non fosse lì, rendendolo invisibile. Le onde elettromagnetiche eccitano gli elettroni degli anelli e bastoncini e questo modifica la loro velocità in modo che esse curvano intorno all’oggetto. La teoria predice solo come deve variare la velocità delle onde e si tratta quindi di progettare il materiale. I progettisti hanno semplificato i parametri della teoria e questo ha lasciato un minimo di riflessione, ma lo scopo era di dimostrare che il meccanismo era stato compreso e che si poteva progettare il materiale sulla base di certi parametri. Ci vorranno forse anni per realizzare un involucro che funzioni con la luce visibile, ma molti credono che sia possibile.
Science, 15 Aug 2008, Vol. 321, pg. 900 - Adrian Cho - Quando nel 2000 i fisici scoprirono il primo metamateriale ad indice di rifrazione negativo, formato con un insieme di bastoncini ed anelli metallici che interagivano con le microonde in modo strano, i fisici immediatamente compresero di avere un nuovo obiettivo: miniaturizzare il metamateriale in modo da comportarsi allo stesso modo con la luce visibile. Se si fosse ottenuto, sarebbe stato possibile realizzare una superlente per focalizzare la luce in modo più perfetto delle lenti convenzionali. I metamateriali possono essere usati anche per rendere invisibili, come hanno mostrato i ricercatori. Questa settimana nella rivista Nature e su Science si dimostra la fattibilità di un tale materiale. I risultati vengono dal laboratorio di Xiang Zhang, un fisico applicativo dell’università di Berkeley, in California. Il team di Zhang descrive un metamateriale che funziona nel vicino infrarosso ed è realizzato in forma tridimensionale. Il materiale si presenta come una cialda, formata da 21 strati alternati di argento e fluoruro di magnesio isolante su un substrato di quarzo il tutto forato usando fasci di ioni. Il materiale funziona fino al rosso, perché al di sopra aumenta l’assorbimento, e solo per una polarizzazione.
Science, 17 Oct 2008, Vol. 322, pg. 384 - Vladimir M. Shalaev - I recenti progressi nei processi di micro e nano fabbricazioni hanno creato l’opportunità di controllare la luce in un modo che non è possibile con materiali naturali. Strutture sintetiche, costruite con elementi di dimensioni paragonabili alle lunghezze d’onda, possono ora essere costruite per ottenere proprietà di permittività elettrica e permeabilità magnetica con cui controllare il flusso dell’energia elettromagnetica nello spazio ottico. Questi metamateriali hanno aperto la porta a numerose applicazioni, prima considerate impossibili. In questo modo si possono creare su misura, forma e dimensione, composizioni di metamateriali per ogni funzione di trasformazione ottica. Così come nella relatività generale tempo e spazio sono curvi, con le trasformazioni ottiche lo spazio si può rendere curvo per la luce in un modo arbitrario. La possibilità di progettare uno spazio ottico permette di controllare il flusso della luce. Sono state considerate le relazioni fra propagazione della luce e le geometrie dello spaziotempo nei lavori teorici di I. Y. Tamm e recentemente è stato sviluppato il campo delle trasformazioni ottiche. La luce si propaga in modo che sia minimizzato il percorso ottico dato dal prodotto della lunghezza fisica per l’indice di rifrazione n. Creando un’opportuna distribuzione dell’indice di rifrazione, il percorso geometrico che minimizza quello ottico può essere reso curvo in un modo arbitrario deviando la luce anche in direzione opposta (con n negativo). Una delle applicazioni più interessanti è quello di un mascheramento elettromagnetico (cloak) che devia la luce intorno all’oggetto rendendolo invisibile. Si può anche realizzare un concentratore che raccoglie la luce da tutte le direzioni e la concentra in un punto arbitrario. Altre trasformazioni ottiche sono quelle che realizzano iperlenti planari sfruttando i campi evanescenti che trasportano le informazioni degli oggetti sotto la lunghezza d’onda. La fabbricazione e l’uso delle iperlenti sono stati oggetto di molti studi e soluzioni per integrarli nei microscopi convenzionali.
Science, 2 Jan 2009, Vol. 323, pg. 46 - André Nicolet and Frédéric Zolla - La teoria di Einstein ci dice che la massa degli oggetti curva lo spazio e la luce non viaggia più in linea retta nelle loro vicinanze. Nel 2006 J. B. Pendry ha proposto che una trasformazione geometrica dello spazio può distorcere i raggi di luce in modo da evitare una regione delimitata e renderla invisibile agli osservatori. Ogni trasformazione geometrica dello spazio può essere traslata in proprietà ottiche, ma rimane il problema di come costruire i materiali con le proprietà richieste, cioè con indici di rifrazione negativi e particolari proprietà magnetiche alle frequenze ottiche. La soluzione dovrebbe venire dal progetto e costruzione di metamateriali, sconosciuti nell’ottica classica, che differiscono da quello ordinari per la scala in cui le caratteristiche devono essere realizzate, sia su scala molecolare di 1 nanometro (nm) che su scala strutturale di 100 nm. Un esempio è dato dalle ali di certe farfalle i cui colori dipendono dalla complessa struttura in scala con le lunghezze d’onda della luce. L’iridescenza dipende dall’angolo con cui è vista la luce. I metamateriali devono essere costruiti con microstrutture simili per ottenere le proprietà richieste dalla teoria. La ricetta per costruire un mantello (cloak) invisibile è formalmente semplice: trasferire le trasformazioni spaziali per piegare la luce in proprietà ottiche e progettare i metamateriali. Le proprietà ottiche non sono però semplici ed in certe zone della struttura hanno delle singolarità in cui le costanti divergono all’infinito. Le singolarità nascono dalle trasformazioni geometriche che devono trasformare uno spazio ordinario in uno con un buco che cambia la topologia dello spazio. Ogni sforzo teorico non ha portato a soluzioni completamente soddisfacenti. U. Leonhard e T. Tyc, il primo dell’università di Singapore ed il secondo dell’università di St. Andrew, UK, hanno sfruttato i mezzi matematici della relatività generale di Einstein per curvare lo spazio. Nel progetto si deve creare la mappa di uno spazio tridimensionale. L’esempio bidimensionale è la mappa di Mercatore che proietta la Terra in una superficie piana. La proposta è una trasformazione in cui si creano dei percorsi di luce intorno alla regione interdetta in uno spazio euclideo e si evitano delle singolarità nelle proprietà del materiale. Il problema è che le proprietà sono dipendenti dalla lunghezza d’onda e richiedono una risonanza, ed ogni soluzione è un’ottimizzazione per tentativi con metodi numerici.
Science, 6 Feb 2009, Vol. 323, pg. 701 - Adrian Cho - Due anni fa i fisici hanno proposto di costruire uno schermo come in mantello (cloak) che rendeva invisibile e non rivelabile un oggetto alle microonde per una specifica frequenza. Ora un team di Hong Kong ha proposto lo schema teorico di un “ombrello di invisibilità” che fa sparire se stesso e un oggetto posto dietro di lui, ma lascia vedere tutto ciò che si trova nei dintorni. Un team dell’università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong, a Kowloon ha combinato due idee precedenti. Nel 2005 due ingegneri dell’università di Pennsylvania avevano proposto di rendere quasi invisibile un oggetto circondandolo con in opportuno metamateriale che interagiva con le radiazioni elettromagnetiche contrastando le riflessioni dell’oggetto. Diversamente, nel maggio del 2006, ricercatori dell’Imperial College of London avevano immaginato di deformare lo spazio intorno all’oggetto in modo che il percorso della luce gli girasse intorno. Il team di Hong Kong ha proposto un metodo intermedio usando teoria e simulazioni per cancellare con una trasformazione ottica le riflessioni provocate da un oggetto. Il trucco è di creare un antioggetto che cancella le riflessioni di quello reale. Lo schema ha delle limitazioni. L’ombrello funziona ad una sola frequenza ed è adattato all’oggetto da rendere invisibile, richiede un metamateriale che devia la luce in modo speciale ed è difficile da costruire, ma dati i progressi della tecnica, forse il sistema potrà essere sperimentato in un futuro non lontano.
Science, 10 Jul 2009, Vol. 325, pg. 159 - Kathleen J. Stebe - I recenti sviluppi sull’autoassemblaggio di particelle colloidali per biosensori elettronici, apre nuove prospettive nei metamateriali per applicazioni nel campo infrarosso e del visibile. Questi materiali possono servire ad esempio per realizzare sistemi di mascheramento (cloaking) o per manipolare i campi elettromagnetici a queste lunghezze d’onda. I metamateriali sono strutture composte periodiche con celle più piccole delle lunghezze d’onda usate. Proporzionando le celle per creare un risposta a larga banda, possono diventare realtà sistemi per l’invisibilità e le superlenti. Questi materiali sono stati realizzati facilmente per le frequenze radio, dove le celle sono delle dimensioni di pochi millimetri. Per l’uso alle lunghezze d’onda infrarosse e ottiche, si richiede invece di assemblare strutture di dimensioni micrometriche e nanometriche. Metamateriali con indice di rifrazione negativo sono stati realizzati per la banda ottica con complessi metodi litografici, se invece si progetta un metamateriale, che incorpora nanoparticelle con metodi di autoassemblaggio, tutto è più semplice. Oggi esistono molti esempi di inclusione di micro e nano-particelle anisotrope, di forme e materiali diversi, che possono essere scelti per le loro proprietà elettromagnetiche. Tuttavia l’autoassemblaggio, che controlla l’orientamento delle particelle e la loro disposizione spaziale, richiede tecniche particolari. Nell’assiemaggio convettivo, il substrato è sommerso in una sospensione colloidale. Quando il solvente evapora, le particelle colloidali si dispongono secondo una struttura ordinata in tre dimensioni che ha un minimo di energia. Le interazioni capillari degli elementi anisotropi vengono usate per influenzare l’orientamento delle particelle. Le particelle allungate si dispongono guidate dal livello di entropia. Un’altra metodologia sfrutta proprietà idrofobiche indotte su particolari facce degli elementi, quando sono dispersi in fase acquosa. Con questo sistema, nel caso di sospensioni miste, con nano-particelle e particelle colloidali più grandi, le prime sono ecluse dalle regioni fra quelle più grandi. Si possono così separare regioni attrattive e repulsive e litograficamente creare scanalature dove attrarre le particelle all’evaporazione. Con questi metodi si può ottenere un assiemaggio tridimensionale, in posizione ed orientamento, di materiali anisotropi con metodi su larga scala.
Science, 8 Jan 2010, Vol. 327, pg. 138 – Robert F. Service – Nel 2001, i ricercatori hanno modificato le caratteristiche di rifrazione dei materiali nella banda delle microonde, inserendovi un array di anelli e fili, che modificano il percorso della luce e creano un indice di rifrazione negativo nei nuovi metamateriali. Manipolando la trasmissione delle onde elettromagnetiche nei metamateriali, si possono realizzare mantelli di invisibilità e lenti che focalizzano la luce in punti più piccoli del limite di diffrazione dell’ottica convenzionale e si imita la capacità di intrappolare la luce come nei buchi neri. Negli ultimi 10 anni si è avuto un enorme progresso nel campo dei metamateriali. Ci sono ancora delle grandi difficoltà da superare. Nonostante i successi nel manipolare le onde elettromagnetiche, i metamateriali provocano un forte assorbimento che impedisce il loro impiego nell’uso comune. Si dovrà ancora vedere se la nuova tecnica potrà produrre prodotti rivoluzionari. La sfida è di trovare un modo migliore per creare materiali tridimensionali con queste caratteristiche e limitare la loro tendenza ad assorbire le onde elettromagnetiche. Nei secoli passati, gli artigiani del vetro sono riusciti a focalizzare la luce tagliando, molando e lucidando il vetro e questa tecnica portò alla realizzazione di occhiali e telescopi. Più di recente, le fibre ottiche hanno reso possibile le moderne telecomunicazioni. I materiali ottici convenzionali hanno un indice di rifrazione positivo. Questo indice, che misura la velocità di propagazione della luce nei diversi materiali, cambia dall’aria all’acqua e questo fa vedere piegata una barra immersa nell’acqua. Nel decennio 1960, il fisico teorico russo Victor Veselago comprese che, se un materiale poteva essere progettato per avere un indice di rifrazione negativo, una barra, non solo sarebbe apparsa piegata, ma sembrerebbe uscire dall’acqua. Lo studio di Veselago ha messo in evidenza molti altri fenomeni della rifrazione negativa contrari all’intuizione, come anche l’effetto doppler invertito. Dopo più di 30 anni, nel 2001, all’Imperial College di Londra e alla Duke University, North Carolina, furono realizzati questi materiali nella banda delle microonde inserendo nel dielettrico fili e anelli metallici che producevano l’indice di rifrazione negativo. Da allora i fisici dei materiali hanno realizzato questi tipi di materiali per lunghezze d’onda sempre più corte. Tuttavia, per le lunghezze d’onda della luce o più corte, gli elementi da introdurre devono essere dell’ordine dei micrometri o nanometri, inoltre aumenta il problema dell’assorbimento perché gli elementi metallici assorbono la luce visibile e quella infrarossa. Il problema è stato parzialmente superato per i materiali che lavorano nel visibile e infrarosso usando strati ultrasottili di metallo. I progettisti di metamateriali hanno in qualche caso aggirato il problema creando, con un pennello laser, un intricato sistema di eliche orarie o antiorarie in un polimero, depositando dell’oro sulle superfici e togliendo dopo il polimero. Lungo l’array di eliche d’oro prodotto, la luce, con una certa polarizzazione, si propaga senza attenuazione, mentre blocca l’altra polarizzazione. Nel 2008, Zhang e i suoi colleghi dell’università di Berkeley, in California, hanno descritto una struttura con un indice di rifrazione negativo nella banda del vicino infrarosso. Il materiale è stato ottenuto sovrapponendo strati di argento e floruro di magnesio e creando una serie di fori che forma una rete nella struttura. Gli strati conduttori e non conduttori creano un sistema che fa risuonare il campo magnetico e crea l’indice di rifrazione negativo. Nello stesso anno, Zhang e i suoi hanno ottenuto lo stesso effetto con una struttura di fili verticali nanometrici in un blocco di ossido di alluminio poroso, anche questo forato come una rete. Tutte queste strutture funzionano quando la luce proviene da una direzione privilegiata o entro un campo angolare ristretto. Recentemente, alla Scania National Laboratory di Albuquerque, New Mexico, si è sviluppata una tecnica per produrre un metamateriale che lavora nell’infrarosso senza direzioni privilegiate, depositando degli anelli d’oro aperti su una superficie curva. In questo modo si è provata una struttura che risuona allo stesso modo in tutte le direzioni. Sovrapponendo strati di questa struttura, si potrà ottenere un metamateriale che si comporta nel suo insieme nello stesso modo. Altri ricercatori cercano modi diversi per superare le perdite da assorbimento. Si pensa di realizzare strutture che generano fotoni addizionali, quando sono colpite da luce di una certa frequenza e questo compensa la luce assorbita. Anche la risonanza produce un guadagno che compensa le perdite dei metamateriali, ma ancora non ci sono risultati sperimentali.