Metasuperfici Dielettriche Chirali: Vi Spiego Come Stiamo Rivoluzionando il Controllo della Luce!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi entusiasma parecchio e che, credetemi, ha del potenziale incredibile: le metasuperfici. Immaginatele come dei fogli sottilissimi, quasi bidimensionali (2D), capaci di manipolare le onde elettromagnetiche – la luce, per intenderci – in modi che fino a poco tempo fa sembravano fantascienza. Possiamo controllarne l’ampiezza, la fase e persino la polarizzazione!

Perché Tutto Dielettrico? Ecco il Segreto!

All’interno di questo affascinante mondo, ci siamo concentrati sulle cosiddette Metasuperfici Tutte Dielettriche (ADM). Perché questa scelta? Semplice: permettono una trasmissione elevatissima delle onde elettromagnetiche, hanno perdite di energia minime (un bel vantaggio rispetto a quelle metalliche!) e, cosa non da poco, si integrano alla perfezione con le tecnologie dei semiconduttori che già usiamo tutti i giorni.

Nel nostro ultimo lavoro, abbiamo messo a punto una metasuperficie dielettrica chirale basata su risonatori in silicio (Si) a forma di U. E i risultati? Beh, le simulazioni numeriche sono da urlo: abbiamo dimostrato una trasmissione asimmetrica efficiente e a banda larga per onde elettromagnetiche lineari incidenti (parliamo di lunghezze d’onda tra 1.07 e 1.28 µm, nel vicino infrarosso) con un’ampiezza di banda frazionaria del 18.03%. Mica male, eh?

Ma Cos’è Questa “Chiralità”?

Forse vi starete chiedendo cosa significhi “chirale”. La chiralità è una proprietà fondamentale che deriva dalla mancanza di simmetria speculare. Pensate alla vostra mano destra e sinistra: sono speculari, ma non sovrapponibili. Ecco, una struttura chirale si comporta in modo simile con la luce, rispondendo diversamente a differenti stati di polarizzazione. Questa caratteristica apre le porte a fenomeni strabilianti come la girotropia gigante, una forte attività ottica e un elevato dicroismo circolare.

Le metasuperfici chirali possono essere a singolo strato o multistrato. Quelle a singolo strato sono più facili da fabbricare e hanno minori perdite ottiche, ma offrono una banda operativa limitata. Le strutture multistrato, invece, superano questi limiti grazie a più gradi di libertà e abbondanti effetti tra gli strati, come interferenze multiple, accoppiamenti di campo vicino ed effetti di guida d’onda. Questi fenomeni potenziano l’interazione tra onde e strutture, migliorandone l’efficienza.

Trasmissione Asimmetrica: Un Gioco di Specchi (o Quasi)

Una delle proprietà più intriganti delle metasuperfici chirali è la trasmissione asimmetrica (AT) delle onde elettromagnetiche. Questo effetto ha suscitato un enorme interesse per le sue potenziali applicazioni in dispositivi come isolatori e rotatori di polarizzazione. È un fenomeno diverso dalla girotropia convenzionale dei mezzi chirali massivi e dall’effetto Faraday. A differenza dell’effetto Faraday non reciproco, il fenomeno AT nelle metasuperfici chirali non viola i vincoli di reciprocità e non richiede né effetti magneto-ottici, né strutture non lineari o dipendenti dal tempo. Nasce dal fatto che un’onda incidente linearmente o circolarmente polarizzata interagisce diversamente con la metasuperficie a seconda delle due direzioni opposte di propagazione.

Inizialmente osservato per onde elettromagnetiche circolarmente polarizzate, l’effetto AT è stato esteso alle onde linearmente polarizzate rompendo la simmetria delle strutture lungo la direzione di propagazione. Sono state proposte e dimostrate varie strutture con effetto AT, incluse strutture tridimensionali, risonatori a anello diviso (split-ring resonators) e strutture basate su meta-atomi a croce ritorta.

Molte sofisticate metasuperfici a base metallica sono state proposte per ottenere funzionalità personalizzate, come una trasmissione asimmetrica ad alte prestazioni, a banda larga e rotatori di polarizzazione a 90°. Tuttavia, come accennavo, le metasuperfici metalliche soffrono di svantaggi come le perdite ohmiche e limitazioni a frequenze più elevate. Al contrario, le metasuperfici tutte dielettriche, sfruttando materiali dielettrici ad alto indice di rifrazione, offrono un’alternativa promettente con perdite ridotte.

Il Nostro Design: Risonatori a U e Nanobarre al Silicio

Tornando al nostro lavoro, abbiamo progettato una ADM per la trasmissione asimmetrica a banda larga di onde linearmente polarizzate nel regime del vicino infrarosso. La struttura, che può realizzare una rotazione della polarizzazione con simultanea alta efficienza, ampia larghezza di banda, elevato rapporto di conversione della polarizzazione (PCR) e spessore totale sub-lunghezza d’onda, è stata progettata e investigata teoricamente.

La cella unitaria della nostra metasuperficie è composta da due risonatori identici in Silicio (Si) a forma di U, ruotati relativamente di 90° negli strati superiore e inferiore della struttura. Questi due risonatori sono coadiuvati da due nanobarre posizionate agli angoli della cella unitaria. Ogni strato di silicio è supportato da un substrato di diossido di silicio (SiO2). Gli spessori e gli indici di rifrazione di Si e SiO2 sono rispettivamente (t_1), (t_2), 3.7 e 1.45. Il passo della cella unitaria è fisso a 675 nm. Il design presenta anche una simmetria (C_2), cruciale per ottenere la trasmissione asimmetrica desiderata e migliorare l’efficienza di conversione della polarizzazione. Tutte le simulazioni sono state condotte utilizzando ANSYS Electronics Desktop 2022.

Capire la Trasmissione Asimmetrica: La Matrice di Jones

Per capire la trasmissione asimmetrica per onde linearmente polarizzate, abbiamo utilizzato la matrice di Jones. Questa descrive la trasformazione degli stati di polarizzazione quando le onde elettromagnetiche interagiscono con la metasuperficie chirale. Semplificando molto, questa matrice ci dice come le componenti dell’onda incidente vengono trasformate nelle componenti trasmesse. L’AT per una certa polarizzazione è definita come la differenza tra le trasmittanze nelle due direzioni di propagazione opposte. Per un sistema chirale reciproco, una differenza significativa tra i coefficienti di trasmissione a polarizzazione incrociata di due onde incidenti perpendicolari risulterà in una trasmissione altamente asimmetrica.

Il rapporto di conversione della polarizzazione (PCR) descrive la conversione di polarizzazione di un’onda incidente linearmente polarizzata. I mezzi chirali sono caratterizzati da un accoppiamento incrociato tra campi elettrici e magnetici lungo la stessa direzione. A causa della chiralità, la degenerazione delle onde circolarmente polarizzate destrogira (RCP) e levogira (LCP) è rotta. Una struttura chirale è caratterizzata da due importanti proprietà: l’attività ottica (OA), che caratterizza la rotazione della direzione di polarizzazione di un’onda linearmente polarizzata, e il dicroismo circolare (CD), che coinvolge la differenza di assorbimento delle onde circolarmente polarizzate.

L’Analisi degli Eigenmodi: Svelare il Meccanismo

Per spiegare le prestazioni, abbiamo fatto un’analisi degli eigenmodi. Un risonatore a forma di U in risonanza può essere visto come un dipolo elettrico nel piano accoppiato a un dipolo magnetico perpendicolare al piano. Poiché i due strati di risonatori a U sono ritorti di 90 gradi, tutte le coppie di risonatori possono accoppiarsi principalmente attraverso i dipoli magnetici. L’orientamento ortogonale relativo tra i risonatori a U in Si, accoppiato con l’asimmetria strutturale intrinseca, porta all’emergenza di due eigenmodi principali (che abbiamo chiamato M1 e M2, e poi M3 e M4 in una versione ottimizzata).

Abbiamo studiato come la geometria della cella unitaria potesse essere manipolata per introdurre diversi eigenmodi e quindi migliorare le prestazioni in termini di larghezza di banda operativa. Ad esempio, variando la larghezza del braccio centrale dei due risonatori a U, abbiamo osservato uno spostamento verso il rosso (red shift) nelle lunghezze d’onda proprie dei modi.

Ottimizzazione del Design: L’Importanza dei Dettagli

Abbiamo poi esplorato l’effetto di diversi parametri geometrici. Lo spessore dei risonatori di Si ((t_1)) e dei substrati di SiO2 ((t_2)) sulla trasmissione a polarizzazione incrociata (|t_{xy}|) è stato studiato. Abbiamo scoperto che (|t_{xy}|) migliora all’aumentare di (t_1) da 30 a 90 nm, con le migliori prestazioni a 90 nm. D’altra parte, (|t_{xy}|) peggiora quando i substrati di SiO2 diventano troppo spessi, con le migliori prestazioni per (t_2)= 20 nm.

Per aumentare ulteriormente la larghezza di banda operativa, abbiamo integrato delle nanobarre di Si aggiuntive negli angoli della cella unitaria. L’introduzione di queste nanobarre può migliorare le prestazioni perturbando le frequenze proprie degli eigenmodi della cella. Scegliendo la dimensione appropriata delle nanobarre per spostare la lunghezza d’onda propria di un modo (M4) a lunghezze d’onda maggiori, mantenendo al contempo una sovrapposizione spettrale accettabile tra i due modi principali, la larghezza di banda è stata ampliata. La massima larghezza di banda relativa raggiunta è stata del 18.03%, coprendo il regime del vicino infrarosso da 1.07 a 1.28 µm, con dimensioni delle nanobarre (b_x)= 50 nm e (b_y)= 40 nm.

Risultati Impressionanti: AT, PCR e Altro Ancora

Per la struttura finale, il parametro di asimmetria ((Delta _y)) ha raggiunto un massimo di 0.9 e ha superato 0.75 da 1.07 a 1.28 µm, indicando prestazioni di trasmissione asimmetrica a banda larga. Il PCR dell’onda polarizzata y ha raggiunto un massimo di 0.95 ed è rimasto sopra 0.85 nello stesso intervallo. Al contrario, il PCR dell’onda polarizzata x non ha superato 0.15. Questi risultati dimostrano che un’onda polarizzata y può essere efficacemente convertita in un’onda trasmessa polarizzata x quando attraversa la struttura progettata.

Il comportamento della metasuperficie può essere attribuito al dicroismo circolare. Abbiamo anche calcolato gli angoli di azimut della polarizzazione e i valori di ellitticità per misurare l’attività ottica e il dicroismo circolare. I risultati hanno mostrato una forte rotazione ottica per le onde linearmente polarizzate y incidenti in onde polarizzate x dopo aver attraversato la metasuperficie. Inoltre, le onde trasmesse hanno esibito un buon dicroismo circolare attraverso l’ampia banda di funzionamento. Anche l’efficienza di trasmissione è rimasta sopra 0.6 nonostante l’angolo di incidenza raggiungesse i 20°.

Lo spessore complessivo della struttura è di soli 220 nm, che corrisponde a uno spessore sub-lunghezza d’onda di circa (lambda)/5, dove (lambda) è la lunghezza d’onda centrale di circa 1150 nm. Questo design combina i vantaggi dell’utilizzo di ADM ultrasottili mantenendo un’elevata trasmissione asimmetrica per prestazioni a banda larga nel regime del vicino infrarosso, distinguendosi da lavori precedenti.

Dalla Teoria alla Pratica: La Fabbricazione

E la parte pratica? La nostra struttura ADM può essere fabbricata utilizzando tecniche standard di nanofabbricazione. Il processo inizia tipicamente con la litografia a fascio di elettroni (EBL) per definire i pattern dei risonatori di Si su un substrato di SiO2, seguita da incisione ionica reattiva (RIE). Un processo di deposizione chimica da vapore potenziata da plasma (PECVD) viene quindi utilizzato per depositare lo strato intermedio di SiO2. Il secondo strato di risonatori di Si viene allineato e modellato utilizzando un approccio litografico graduale. Queste tecniche di fabbricazione e misurazione convalidano l’implementazione pratica della struttura proposta.

Conclusioni e Prospettive Future

In sintesi, abbiamo presentato una metasuperficie dielettrica chirale basata su risonatori di silicio a forma di U che dimostra una trasmissione asimmetrica efficiente a banda larga. Sfruttando l’analisi degli eigenmodi, abbiamo spiegato il meccanismo fisico e ottimizzato la geometria. La struttura ha anche esibito una forte attività ottica e dicroismo circolare. Questi risultati non solo migliorano la comprensione della fisica dietro le strutture ADM chirali, ma evidenziano anche il loro potenziale per un controllo preciso della polarizzazione in applicazioni ottiche avanzate. E questo, amici miei, è solo l’inizio!

Fonte: Springer