Le metasuperfici virtuali potrebbero trasformare la tecnologia di imaging. / Virtual metasurface could transform imaging technology

Le metasuperfici virtuali potrebbero trasformare la tecnologia di imaging. / Virtual metasurface could transform imaging technology

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Microscopi, fotocamere e sistemi di imaging di nuova generazione potrebbero utilizzare una nuova metasuperficie virtuale per manipolare la luce in modi che vanno oltre le capacità delle lenti e dei componenti ottici convenzionali.

I ricercatori della Nottingham Trent University hanno affermato che il loro lavoro potrebbe sbloccare tutto il potenziale delle metasuperfici in una serie di applicazioni pratiche, aprendo la strada a un passaggio dalle piattaforme fisiche a quelle virtuali nella nanotecnologia.

Le metasuperfici possono deviare e focalizzare la luce, modificarne il colore e orientarla in diverse direzioni. Di conseguenza, possono sostituire elementi ottici ingombranti in dispositivi di piccole dimensioni come lenti, specchi e filtri.

Sebbene siano potenti, i materiali e le dimensioni delle metasuperfici fisiche sono fissi, quindi non possono cambiare forma una volta costruite, limitando di conseguenza la loro utilità nelle tecnologie del mondo reale.

Ora, un gruppo della Nottingham Trent University ha condotto uno studio che dimostra il potenziale delle metasuperfici virtuali, le quali utilizzano modelli ottici bidimensionali emulati su una superficie piana anziché minuscole particelle fisiche. Il loro lavoro è descritto in dettaglio sulla rivista Advanced Photonics Nexus.

Il processo utilizza un modulatore spaziale di luce, in grado di controllare la luce pixel per pixel per modificarne forma e funzione più rapidamente.

Poiché i modelli sono programmabili e possono cambiare istantaneamente, la metasuperficie può svolgere molteplici funzioni all'interno dello stesso dispositivo. Queste potrebbero includere la miscelazione dei colori, la trasformazione di immagini infrarosse invisibili in visibili od il funzionamento come una lente per regolare la messa a fuoco. I ricercatori ritengono che rendere il materiale "sintonizzabile" tramite l'utilizzo di tali metasuperfici sintetizzate sia ciò che serve per portare le metasuperfici fuori dai laboratori.

Sebbene l'approccio richieda ulteriori ricerche e sviluppo, il gruppo ha affermato che potrebbe apportare benefici ad una vasta gamma di tecnologie, tra cui imaging e microscopia, fotonica quantistica, rilevamento, deflessione del fascio, produzione di semiconduttori, telecomunicazioni ed olografia.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato il potenziale di questa tecnologia utilizzandola per trasformare segnali infrarossi invisibili in immagini visibili e regolando la lunghezza focale delle immagini a piacimento. Le lenti e gli specchi convenzionali non sono in grado di svolgere queste due funzioni contemporaneamente.

Collaborando con i ricercatori dell'Università di Brescia in Italia e dell'Università di Nankai in Cina, sono stati anche in grado di generare l'immagine a lunghezze focali arbitrarie.

Le telecamere ad infrarossi tradizionali si basano su sensori a semiconduttore ed ottiche separate, ma un modello di luce programmabile ha permesso di convertire la luce infrarossa in lunghezze d'onda visibili che una telecamera standard poteva catturare.

"Negli ultimi dieci anni circa, le metasuperfici sono state introdotte come alternativa agli elementi ottici di maggiori dimensioni e hanno costituito la spina dorsale della rivoluzione fotonica del XXI secolo", ha affermato Mohsen Rahmani, professore di nanotecnologie, ottica e fotonica presso la School of Science and Technology della Nottingham Trent University .

"Nonostante ciò, la loro regolabilità è stata significativamente limitata, creando un collo di bottiglia nei laboratori e restringendo il loro pieno potenziale. Questa nuova categoria di metasuperfici virtuali emulate può rappresentare una svolta. Forse la migliore analogia è la transizione dall'universo al metaverso: il mondo digitale 3D in cui esistono spazi realistici ma non sono reali. Le nostre metasuperfici virtuali possono essere rimodellate dinamicamente ogni 20 millisecondi, offrendo ogni volta una funzione completamente diversa all'interno di piccoli gadget e dispositivi."

Il professore associato Lei Xu della Nottingham Trent University ha dichiarato: "Le nostre metasuperfici virtuali agiscono come una cassetta degli attrezzi immaginaria contenente ogni componente ottico. L'impiego dell'intelligenza artificiale per programmare le metasuperfici virtuali ci consente di offrire funzioni multimodali ed un enorme potenziale per applicazioni reali."

Il gruppo, con sede presso i laboratori di ottica avanzata e fotonica (AOP) della NTU, ha ricevuto il supporto della borsa di studio "Future Leaders Fellowship" del Ministero della Ricerca e dell'Innovazione del Regno Unito e di una sovvenzione "Consolidator Grant" del Consiglio europeo della ricerca.

ENGLISH

Next-generation microscopes, cameras and imaging systems could use a new virtual metasurface to manipulate light in ways beyond the capabilities of conventional lenses and optical components.

Researchers at Nottingham Trent University said their work could unlock the full potential of metasurfaces across a range of practical applications, paving the way for a shift from physical to virtual platforms in nanotechnology.

Metasurfaces can bend and focus light, change its colour and steer it in different directions. Consequently, they can replace bulky optical elements in small devices such as lenses, mirrors and filters.

While they are powerful, the materials and dimensions of physical metasurfaces are fixed, so they can’t change their shape once built, thereby limiting how useful they are in real‑world technologies.

Now, a team at Nottingham Trent University has led a study demonstrating the potential for virtual metasurfaces, which use emulated two-dimensional optical patterns on a flat surface rather than tiny physical particles. Their work is detailed in Advanced Photonics Nexus.

The process uses a spatial light modulator, which can control light pixel by pixel to change its shape and function faster.

Because the patterns are programmable and can change instantly, the metasurface can perform many different functions within the same device. This could include mixing colours, turning invisible infrared images into visible, or acting like a lens to adjust focus. The researchers believe that making the material ‘tunable’ by using such synthesised metasurfaces is what is required to move metasurfaces out of laboratories.

While the approach requires additional research and development, the team said the approach could benefit a range of technologies, spanning imaging and microscopy, quantum photonics, sensing, beam steering, semiconductor manufacturing, telecommunications and holography.

In the new study, the researchers demonstrated the technology’s potential by using the approach to turn invisible infrared signals into visible pictures and adjusting the images’ focal lengths on demand. Conventional lenses and mirrors are unable to perform these two functions concurrently.

Working with researchers at the University of Brescia in Italy and Nankai University in China they were also able to generate the image at arbitrary focal lengths.

Traditional infrared cameras rely on semiconductor sensors and separate optics but a programmable light pattern meant it was possible to convert infrared light into visible wavelengths that a standard camera could capture.

“Over the last decade or so, metasurfaces have been introduced as an alternative to larger optical elements and have been the backbone of the photonics revolution of the 21st Century,” said Mohsen Rahmani, Professor in Nanotechnology, Optics and Photonics at Nottingham Trent University’s School of Science and Technology.

“Despite this, their tunability has been significantly limited, creating a bottleneck in laboratories and restricting their full potential. This new category of emulated, virtual metasurfaces can be the gamechanger. Perhaps the best analogy is the transition from universe to metaverse – the 3D digital world where lifelike spaces exist but are not real. Our virtual metasurfaces can be dynamically reshaped in every 20 milliseconds, offering a completely distinct function, each time, within small gadgets and devices.”

Nottingham Trent University Associate Professor Lei Xu said: “Our virtual metasurfaces act like an imaginary toolbox containing every optical component. Employing AI to program virtual metasurfaces enables us to offer multimodal functions and enormous potential for real-life applications.”

The team, based in NTU's Advanced Optics and Photonics (AOP) Laboratories, were supported by the UK Research and Innovation Future Leaders Fellowship and a European Research Council Consolidator Grant.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/virtual-metasurfaces-could-open-new-era-for-photonics?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-020726%20-%20Thursday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fvirtual-metasurfaces-could-open-new-era-for-photonics&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer