Levitazione Ottica con Metalenti: Facciamo Ruotare Nanobacchette a Milioni di Giri!

Immaginate di poter afferrare, far levitare e persino far ruotare oggetti incredibilmente piccoli, più sottili di un capello, usando nient’altro che la luce. Sembra fantascienza, vero? Eppure, è proprio quello che facciamo nel campo affascinante dell’optomeccanica levitata. Sospendere nanoparticelle nel vuoto spinto, lontano da qualsiasi contatto fisico, ci apre porte incredibili: possiamo studiare la fisica fondamentale in modi nuovi, creare sensori di una precisione sbalorditiva e forse, un giorno, esplorare i confini del mondo quantistico su scale macroscopiche.

Il trucco sta nell’isolare queste particelle dall’ambiente. Nel vuoto, l’attrito è quasi nullo, permettendo a questi minuscoli oggetti di oscillare o ruotare per tempi lunghissimi, con un “fattore di qualità” eccezionalmente alto. Possiamo controllare i loro movimenti – traslazione, librazione, rotazione – manipolando con precisione il fascio di luce che le intrappola e progettando la forma stessa delle nanoparticelle.

La Rivoluzione delle Metalenti e delle Nanoparticelle “Su Misura”

Qui entra in gioco la nanofabbricazione. Questa tecnologia pazzesca ci permette di costruire strutture su scala nanometrica con una precisione sbalorditiva. Possiamo creare non solo nanoparticelle con forme specifiche, ma anche lenti ottiche completamente nuove: le metalenti. Dimenticate le lenti curve tradizionali! Le metalenti sono piatte, sottilissime e composte da minuscole antenne (come nanopilastri) che manipolano la luce in modi impensabili fino a poco tempo fa. Possono controllare fase, ampiezza e polarizzazione della luce con una versatilità incredibile.

Negli ultimi anni, si è iniziato a usare le metalenti per intrappolare particelle in liquidi, ma farlo nel vuoto è tutta un’altra sfida. Serve una capacità di focalizzazione molto più potente, una cosiddetta “alta apertura numerica” (NA), per creare una “trappola di luce” abbastanza profonda da vincere le poche, ma fastidiose, molecole d’aria residue e tenere sospesa la particella. Qualche passo avanti era già stato fatto, ma noi volevamo spingerci oltre.

E se combinassimo la potenza delle metalenti nanofabbricate con nanoparticelle anch’esse nanofabbricate? Sfrutteremmo il meglio di entrambi i mondi! Ed è proprio quello che abbiamo fatto.

Costruire la Trappola Perfetta: Metalente ad Alta Apertura Numerica

Per questo esperimento, abbiamo progettato e costruito una metalente davvero speciale. È fatta di un sottile strato di silicio amorfo (a-Si) su un substrato di vetro, inciso con un pattern precisissimo di nanopilastri quadrati. Ogni pilastro, alto solo 800 nanometri (miliardesimi di metro!), agisce come una micro-antenna che modifica la fase della luce che lo attraversa. Variando la dimensione del lato di questi pilastri (da 110 a 440 nm), siamo riusciti a coprire l’intero giro di fase (2π) mantenendo una trasmissione luminosa altissima, superiore all’85%.

Il risultato? Una metalente con un diametro di 1.2 mm capace di focalizzare un fascio laser a 1550 nm (infrarosso, invisibile all’occhio umano) con un’apertura numerica (NA) misurata di 0.953. Un valore altissimo, molto vicino al nostro obiettivo di progetto (0.95), che ci garantisce un punto focale estremamente piccolo e intenso, essenziale per la levitazione stabile nel vuoto. Abbiamo misurato che il punto focale ha un raggio di Airy (una misura della sua dimensione) di soli 992 nm! Questa metalente è il cuore del nostro sistema.

Creare la “Stella Danzante”: la Nanobacchetta di Silicio

Ovviamente, serviva anche qualcosa da far levitare. Non una particella qualsiasi, ma una creata ad hoc. Abbiamo usato la nanofabbricazione anche per questo, partendo da un wafer di “silicio su isolante” (SOI). Il processo, in breve, prevede:

• Disegnare la forma desiderata (una bacchetta rettangolare) su uno strato di resist usando la litografia a fascio elettronico (e-beam).
• Depositare uno strato sottile di cromo (Cr) e rimuovere il resist in eccesso (liftoff), trasferendo il pattern sul cromo.
• Usare il cromo come maschera per incidere il silicio sottostante con un processo chiamato “reactive-ion etching” (RIE).
• Rimuovere il cromo e poi lo strato di ossido sottostante con vapori di acido fluoridrico (HF), liberando le nanobacchette.
• Trasferire le bacchette in acqua deionizzata usando ultrasuoni, pronte per essere “caricate” nella trappola ottica.

Abbiamo così ottenuto delle nanobacchette di silicio con dimensioni controllate: larghezza 214 nm, lunghezza 753 nm e altezza 220 nm. Un rapporto lunghezza/larghezza di circa 3.5.

Levitazione e Controllo: Far Danzare la Nanobacchetta

Ecco il momento clou: mettere tutto insieme. Abbiamo costruito un setup sperimentale con la nostra metalente montata all’interno di una camera a vuoto. Un laser a 1550 nm, amplificato, viene diretto verso la metalente. Prima, però, passa attraverso un polarizzatore e una lamina a quarto d’onda (QWP), che ci permettono di controllare finemente lo stato di polarizzazione della luce (lineare, circolare, ellittica).

La luce focalizzata dalla metalente crea la trappola ottica. Carichiamo le nanobacchette disperse in acqua usando un nebulizzatore a ultrasuoni. Con un po’ di pazienza e precisione, riusciamo a catturarne una nella trappola! Una volta intrappolata, iniziamo a ridurre la pressione nella camera.

Per “vedere” cosa fa la nanobacchetta, raccogliamo la luce diffusa dalla particella con un obiettivo e la inviamo a un fotodiodo. Analizzando il segnale elettrico prodotto (in particolare la sua “densità spettrale di potenza” o PSD), possiamo ricostruire i movimenti della bacchetta.

A una pressione di 4 mbar, con luce polarizzata linearmente, vediamo chiaramente i picchi nella PSD corrispondenti alle frequenze di oscillazione del centro di massa (COM) della bacchetta lungo i tre assi (x, y, z). Come previsto, la frequenza lungo l’asse z (la direzione di propagazione del laser) è la più bassa (circa 43.6 kHz), mentre quelle trasversali (x e y) sono più alte (78.3 kHz e 122.8 kHz). Questi valori sono abbastanza vicini a quelli calcolati teoricamente, confermando che il nostro modello funziona.

La cosa interessante è che, ruotando la lamina QWP e cambiando quindi la polarizzazione della luce da lineare a ellittica, possiamo modificare queste frequenze di oscillazione! In particolare, fx aumenta e fy diminuisce notevolmente, mentre fz rimane più stabile. Questo dimostra un primo livello di controllo sul moto della nanobacchetta. Analizzando anche l’ampiezza (smorzamento) di queste oscillazioni, abbiamo confermato che la particella intrappolata ha un rapporto d’aspetto compatibile con le nostre nanobacchette fabbricate e che il suo asse lungo si allinea con l’asse ottico (z).

La Rotazione a MHz: Un Balletto Controllato dalla Luce

Ma volevamo di più: volevamo farla ruotare! Per osservare la rotazione, abbiamo dovuto ridurre ulteriormente la pressione fino a 0.11 mbar, per minimizzare l’attrito con le molecole d’aria residue. Abbiamo quindi confrontato cosa succede usando luce polarizzata linearmente e luce polarizzata circolarmente (ottenuta impostando la QWP a 45°, anche se abbiamo usato 40° per stabilità).

Con la luce lineare, vediamo solo i picchi del moto COM, ma molto più stretti (meno smorzamento) a causa della bassa pressione. Ma con la luce circolarmente polarizzata… ecco la magia! Compaiono due nuovi picchi ben definiti nella PSD a frequenze molto più alte: uno a una frequenza f_rot e uno, molto più intenso, a 2f_rot. Questa è la firma inequivocabile della rotazione di spin della nanobacchetta!

Perché due picchi? La frequenza fondamentale f_rot è dovuta a piccole imperfezioni nella simmetria della bacchetta, mentre il picco forte a 2f_rot deriva dalla sua simmetria geometrica principale (ruotando di 180°, appare uguale). La rotazione è causata dalla coppia ottica esercitata dalla luce polarizzata circolarmente, che trasferisce momento angolare alla particella.

E la cosa fantastica è che possiamo controllare questa rotazione!

• Pressione: Riducendo ulteriormente la pressione, la frequenza di rotazione aumenta, perché diminuisce l’attrito dell’aria (il “freno”).
• Potenza del laser: Aumentando l’intensità del laser, la coppia ottica aumenta e la bacchetta ruota più velocemente, in modo proporzionale.
• Polarizzazione: Ruotando la QWP, cambiamo l’ellitticità della luce. Con polarizzazione lineare (angolo 0°) o poco ellittica, la coppia non è sufficiente a vincere l’attrito residuo e non c’è rotazione. Superato un angolo soglia (circa 30° nel nostro caso), la rotazione inizia e la sua frequenza aumenta man mano che ci avviciniamo alla polarizzazione circolare pura.

Abbiamo misurato sperimentalmente queste dipendenze e i risultati si accordano molto bene con i calcoli teorici basati sulla forma della nostra nanobacchetta e sulle proprietà della luce. Siamo riusciti a raggiungere una frequenza di rotazione stabile intorno a 1 MHz (un milione di giri al secondo)! È la prima volta che si dimostra una rotazione ottica controllata in un sistema di levitazione basato su metalente.

Verso il Futuro: Sistemi Integrati e Nuove Frontiere

Questo lavoro è una dimostrazione di fattibilità, un “proof-of-concept” che apre scenari entusiasmanti. Abbiamo combinato con successo metalenti e nanoparticelle, entrambe nanofabbricate, per ottenere levitazione e rotazione controllata nel vuoto.

Certo, la rotazione a MHz non è ancora il record assoluto (che si misura in GHz), ma ci sono margini di miglioramento: potremmo ottimizzare la forma della nanobacchetta per aumentare la coppia ottica o migliorare ulteriormente la stabilità della trappola e lavorare a vuoti più spinti.

Ma il vero potenziale sta nell’integrazione. Le metalenti sono piatte e compatibili con le tecnologie di fabbricazione dei chip. Immaginate sistemi di levitazione ottica completi, con sorgenti di luce, metalenti e sensori, tutto integrato su un unico, minuscolo chip! Questo potrebbe rivoluzionare il campo dei sensori ultra-sensibili (per forza, accelerazione, coppia) e portare la ricerca sulla fisica fondamentale e quantistica fuori dai laboratori, verso applicazioni pratiche.

Potremmo usare metalenti che creano più punti focali per intrappolare e studiare l’interazione tra diverse particelle, magari con forme diverse, aprendo la strada allo studio di fenomeni collettivi o all’assemblaggio controllato di nanostrutture. Potremmo progettare metalenti che generano fasci di luce strutturata (come i vortici ottici) per manipolare le particelle in modi ancora più sofisticati.

La combinazione di metalenti versatili e nanoparticelle “su misura” ci offre una piattaforma potentissima per esplorare l’interazione luce-materia su scala nanometrica e per sviluppare tecnologie completamente nuove. Siamo solo all’inizio di questa avventura!

Fonte: Springer