I ricercatori del TMOS, l’ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, hanno fatto un significativo passo avanti iniziale nella creazione di raggi traenti abilitati da metasuperfici. Questi raggi di luce, capaci di attrarre particelle verso di sé, sono ispirati ai raggi traenti immaginari visti nella fantascienza.
Raggi traenti abilitati da metasuperfici di silicio
In una ricerca pubblicata su ACS Photonics, il team dell’Università di Melbourne ha descritto il loro fascio di solenoidi generato utilizzando una metasuperficie di silicio.
I precedenti fasci di solenoidi sono stati creati da ingombranti modulatori di luce speciali (SLM), tuttavia, le dimensioni e il peso di questi sistemi impediscono che i fasci vengano utilizzati in dispositivi portatili. La metasuperficie è uno strato di silicio nanomodellato spesso solo circa 1/2000 di millimetro.
Il team spera che un giorno possa essere utilizzato per effettuare biopsie in modo non invasivo, a differenza dei metodi attuali come le pinze che causano traumi ai tessuti circostanti.
Si tratta di una tecnologia ancora in fase embrionale, ma vale la pena di investire tempo in ricerche: le applicazioni potenziali sono tantissime (su tutte, ricerca farmaceutica e produzione ad alta precisione). In ogni caso, lo sviluppo dei raggi traenti potrebbe avere un impatto significativo sul futuro della fisica, della tecnologia e su come affrontiamo problemi complessi.
I raggi traenti sono fasci di onde laser o acustiche da usare per controllare a distanza particelle, molecole o oggetti di dimensioni maggiori. Il concetto di “raggio traente” ha quasi un secolo: è stato introdotto per la prima volta dallo scrittore di fantascienza Edward Elmer “Doc” Smith nel 1931.
Nel tempo, è diventato un elemento ricorrente nella fantascienza. Celebre la serie Star Trek, dove i raggi traenti sono rappresentati come un fascio di energia usato dalle astronavi e capace di afferrare e muovere oggetti a distanza.
Dal mondo fantascienza siamo già entrati nel campo della ricerca. I raggi traenti non sono più teoria: i progressi scientifici e tecnologici recenti li hanno resi reali.
Nel 2019, per esempio, uno studio ha utilizzato raggi traenti per assemblare materiali nanometrici mediante un processo noto come “nanosaldatura fotonica”.
Lo studio recente sui raggi traenti
I fasci di luce tendono a esercitare una forza di spinta, allontanando le particelle dalla sorgente luminosa. È stato dimostrato che i fasci a solenoide attirano le particelle verso la sorgente luminosa. Considerate il modo in cui funziona un trapano, che tira i trucioli di legno lungo la punta. I fasci a solenoide funzionano in modo simile.
Questo particolare fascio di solenoidi presenta diversi vantaggi rispetto ai fasci di solenoidi generati in precedenza: le condizioni richieste del fascio di ingresso sono più flessibili rispetto ai fasci precedenti, non richiede un SLM e le dimensioni, il peso e i requisiti di potenza sono significativamente inferiori rispetto ai sistemi precedenti.
La metasuperficie è stata creata mappando l’ologramma di fase del fascio desiderato. Questo è stato utilizzato per creare un pattern. La metasuperficie è stata quindi realizzata in silicio utilizzando litografia a fascio di elettroni e incisione con ioni reattivi.
Quando il fascio di input, in questo caso un fascio gaussiano, filtra attraverso la metasuperficie, la maggior parte di esso (circa il 76%) viene convertita in un fascio di solenoide e si piega lontano dal fascio non convertito, consentendo ai ricercatori di lavorarci senza ostacoli. Sono stati in grado di caratterizzare il fascio a una distanza di 21 centimetri.
La ricercatrice principale Maryam Setareh ha dichiarato: “Le dimensioni compatte e l’elevata efficienza di questo dispositivo potrebbero portare ad applicazioni innovative in futuro. La capacità di estrarre particelle utilizzando una metasuperficie potrebbe avere il potenziale di avere un impatto sul campo della biopsia riducendo potenzialmente il dolore attraverso metodi meno invasivi”.
Setareh ha aggiunto: “Siamo entusiasti di studiare le prestazioni del nostro dispositivo nella manipolazione delle particelle, che potrebbe offrire informazioni preziose”.
Conclusioni
Il ricercatore capo Ken Crozier ha concluso: “La fase successiva di questa ricerca sarà dimostrare sperimentalmente la capacità del fascio di attrarre particelle e saremo entusiasti di condividere i risultati quando saranno disponibili. Questo lavoro apre nuove possibilità per l’utilizzo della luce per esercitare forze su oggetti minuscoli”.
