Unisannio, Enea e Cnr realizzano per la prima volta metamateriali su fibra ottica

Progettare e fabbricare metamateriali completamente integrati in fibra ottica è adesso una possibilità concreta. Uno studio di ricercatori dell’Università del Sannio in collaborazione con l’ENEA e il CNR presenta una prima dimostrazione di principio.

I “metamateriali” sono dei compositi artificiali che consentono di trascendere le proprietà fisiche e le limitazioni dei materiali disponibili in natura e di manipolare la luce alle nanoscale con modalità senza precedenti. La loro possibile integrazione in fibra ottica rappresenta uno degli sviluppi strategici più attesi, ma fino a questo momento mai realizzato.

Lo studio, pubblicato nella prestigiosa rivista Light Science and Applications (edita dal Gruppo Nature) è stato guidato dai Proff. Vincenzo Galdi e Andrea Cusano, rispettivamente del Gruppo di Elettromagnetismo e del Gruppo di Optoelettronica, del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del Sannio. Il team di ricerca comprende i Dr. Maria Principe e Alberto Micco e i Proff. Marco Consales, Giuseppe Castaldi e Antonello Cutolo (UniSannio), la Dr. Vera La Ferrara (ENEA), e i Dr. Alessio Crescitelli ed Emanuela Esposito (CNR).

“La collaborazione tra i Gruppi di Elettromagnetismo e di Optoelettronica è nata oltre sette anni fa”, hanno commentato Galdi e Cusano, “quando ci siamo resi conto di avere molti interessi di ricerca in comune e diversi aspetti complementari negli approcci, e abbiamo deciso di unire le forze. Questo particolare progetto rappresenta la sintesi emblematica della sinergia”.

“Il Gruppo di Elettromagnetismo è attivo nella ricerca sui metamateriali da più di dieci anni”, ha ripreso Galdi, “con particolare enfasi sulla fenomenologia e la modellistica. Nonostante le prospettive estremamente intriganti, le applicazioni pratiche dei metamateriali restano alquanto limitate, soprattutto a causa della difficile integrazione con le tecnologie più diffuse e consolidate. Negli ultimi anni, è enormemente cresciuta l’attenzione verso le configurazioni planari (le cosiddette “metasuperfici”), che sono più facilmente fabbricabili e integrabili in dispositivi fotonici planari. Ciononostante, le applicazioni attuali restano di interesse prevalentemente accademico, con poche possibilità concrete di sviluppo industriale.”

“Il Gruppo di Optoelettronica Sannita”, hanno aggiunto i responsabili Cutolo e Cusano, “è stato tra i primi al mondo a credere nella concreta possibilità di combinare le potenzialità delle fibre ottiche con le moderne nanotecnologie, attraverso l’integrazione spinta di micro/nano-strutture. Il Gruppo ha sviluppato diverse tecniche e metodiche per la realizzazione di dispositivi multifunzionali completamente integrati in fibra ottica, aprendo molteplici scenari applicativi che spaziano dall’elaborazione ottica delle informazioni allo sviluppo di nanosensori avanzati per applicazioni biomedicali, ambientali e di sicurezza industriale. Questi sviluppi hanno costituito una solida base per la creazione di una nuova visione tecnologica culminata nel concetto di “lab-on-fiber technology” in grado di trasformare le comuni fibre ottiche per telecomunicazioni in dispositivi miniaturizzati avanzati in grado di rilevare markers tumorali, inquinanti ambientali, sostanze tossiche per l’uomo e l’ambiente e molto altro ancora”.

“In questo scenario, l’integrazione delle metasuperfici su fibra ottica rappresenta un passo in avanti cruciale, finora mai compiuto”. Hanno evidenziato Castaldi e Consales. “È un concetto molto intrigante in cui il tutto è maggiore della somma delle sue parti. Da un lato, introduce nuove funzionalità abilitanti nel lab-on-fiber, con possibilità senza precedenti di controllo della luce alle nanoscale. Dall’altro lato, la maturità tecnologica e la pervasività delle fibre ottiche in moltissimi scenari rappresentano veicoli ideali per la diffusione delle metasuperfici in applicazioni industriali su larga scala”.

Come possibile dimostrazione di principio, il team di ricerca ha progettato e realizzato diversi prototipi di “meta-fibre” in grado di deflettere in maniera precisamente controllabile un fascio di luce guidato dalla fibra. La metasuperficie, costituita da una schiera di fori rettangolari di dimensioni nanometriche in un film d’oro, è stata fabbricata direttamente sulla punta della fibra ottica attraverso un processo di nanofabbricazione messo a punto e perfezionato negli ultimi anni dal Gruppo di Optoelettronica in collaborazione con l’ENEA e il CNR. Come ulteriore esempio applicativo, sono stati realizzati dei sensori in fibra ottica, la cui caratterizzazione ha evidenziato un cospicuo aumento della sensibilità superficiale indotto dalla presenza della metasuperficie. I risultati sperimentali, in ottimo accordo con la teoria e le simulazioni numeriche, hanno evidenziato la ripetibilità e la robustezza dei prototipi rispetto alle inevitabili tolleranze di fabbricazione.