Metamateriali a elica stampati in 3D: LLNL realizza dispositivi ottici per onde terahertz con polarizzazione circolare
La radiazione terahertz (THz), collocata tra le microonde e l’infrarosso, è di grande interesse per applicazioni che spaziano dalla spettroscopia all’imaging, fino alle telecomunicazioni avanzate. Tuttavia, la gestione della polarizzazione in questo intervallo di frequenze rappresenta una sfida tecnica rilevante.
I tradizionali componenti ottici, come le piastre a quarto d’onda basate su cristalli birefringenti, risultano difficili da realizzare o poco efficienti nel THz, rendendo necessario un approccio alternativo basato sulla progettazione della struttura stessa del materiale.
Un team del Lawrence Livermore National Laboratory ha sviluppato metamateriali chirali a elica in grado di controllare la polarizzazione delle onde THz. La chiralità geometrica delle strutture consente di introdurre una differenza di fase tra le componenti ortogonali del campo elettromagnetico, permettendo la conversione da polarizzazione lineare a polarizzazione circolare.
La realizzazione delle eliche è stata possibile grazie alla Two-Photon Polymerization, una tecnologia di stampa 3D laser che consente di produrre strutture tridimensionali con risoluzioni micrometriche. La libertà geometrica offerta da questa tecnologia permette di controllare parametri come passo, raggio e altezza delle eliche, che influenzano direttamente la risposta elettromagnetica.
I test sperimentali mostrano che le strutture stampate generano una polarizzazione circolare stabile su un’ampia banda di frequenze terahertz. Quando le eliche vengono organizzate in array, si osservano fenomeni di accoppiamento che rafforzano la risposta complessiva del metamateriale.
Uno degli aspetti più interessanti del lavoro riguarda l’uso delle eliche come elementi di codifica dell’informazione. È possibile realizzare pattern chirali simili a QR code, nei quali l’informazione è contenuta nella rotazione della polarizzazione e non nell’intensità del segnale, rendendoli leggibili solo con strumenti specifici.
Per affrontare i limiti di velocità della Two-Photon Polymerization, LLNL ha integrato tecniche di scrittura parallela basate su metalenti, capaci di aumentare il numero di punti focali attivi durante la stampa e migliorare la produttività.
Le applicazioni includono sensori per molecole chirali, componenti per comunicazioni terahertz e sistemi di imaging avanzato. In questo contesto, la stampa 3D diventa uno strumento per integrare direttamente la funzione ottica nella geometria del materiale.
Il lavoro è stato guidato da Wonjin Choi e Xiaoxing Xia del Lawrence Livermore National Laboratory, con il contributo di ricercatori LLNL e della Gachon University, ed è stato pubblicato sulla rivista Advanced Science.
