Generalità

Il progetto METAFAST mira a sviluppare una nuova classe di materiali ottici non lineari sintetici, o metamateriali, come piattaforma rivoluzionaria che consenta un controllo dinamico ultraveloce senza precedenti sulla polarizzazione e sul fronte d'onda della luce. In particolare, il progetto potrebbe consentire lo sviluppo di nuovi modulatori completamente ottici ultracompatti in grado di strutturare più rapidamente che mai lo spin e il momento angolare orbitale (SOAM) dei fasci di luce. Questa modulazione ottica ultraveloce offre un metodo eccezionalmente robusto per la codifica di informazioni digitali in collegamenti ottici in spazio libero, essendo anche resistente alle intercettazioni grazie alla protezione topologica.

Sommario dei Risultati Ottenuti

l lavoro svolto durante i quattro anni e mezzo del progetto METAFAST ha riguardato due attività principali.

Innanzitutto, è stato sviluppato un quadro teorico coerente per la modellazione degli elementi costitutivi delle metasuperfici ottiche, ovvero i metaatomi non lineari. In particolare, abbiamo riportato una descrizione elettromagnetica completa dei nanomateriali fotonici, dai singoli nano-oggetti alle strutture periodiche planari ultrasottili. Il modello comprende i portatori fotogenerati e le loro disomogeneità spaziali alla nanoscala, e la successiva modifica delle proprietà ottiche delle nanostrutture di metalli nobili (oro) e semiconduttori (a base di silicio e a base di arseniuro di gallio). Particolare enfasi è dedicata alla modellazione delle modifiche indotte otticamente sulle metasuperfici in grado di cambiare la polarizzazione della luce (ovvero la direzione dell'oscillazione del campo elettrico). I risultati teorici sono stati testati tramite tecnologie di nanofabbricazione e spettroscopia ultraveloce. In particolare, abbiamo studiato diverse configurazioni di metasuperfici, cercando di potenziare gli effetti non lineari per il controllo della polarizzazione della luce (uno degli elementi strutturali interni dei fasci di luce) e del fronte d'onda. Per raggiungere questo obiettivo, sono state esplorate tre diverse strategie: (i) metasuperfici basate su metaatomi asimmetrici in configurazioni 3D o anche 2D; (ii) metasuperfici con metaatomi simmetrici da rendere altamente anisotrope inducendo l'eccitazione disomogenea di portatori caldi o di coppie elettrone-lacuna su scala nanometrica; (iii) controllo della polarizzazione e del fronte d'onda tramite fasci generati in terza o seconda armonica. Grazie alla sinergia tra i nuovi approcci di modellazione introdotti nel campo e le raffinate tecniche sperimentali implementate, abbiamo riportato risultati chiave per l'obiettivo finale del progetto, ovvero lo sviluppo di una nuova piattaforma fotonica basata su metasuperfici non lineari per la strutturazione completamente ottica di fasci di luce. In particolare, abbiamo dimostrato: (i) la completa riconfigurazione della polarizzazione della luce a velocità del GHz; (ii) un dicroismo transiente fotoindotto gigante, di livello record; (iii) la riconfigurazione luce per luce del fronte d'onda del fascio luminoso su scala temporale del picosecondo; (iv) la strutturazione orbitale del momento angolare della luce generata non linearmente; (v) nuove metasuperfici non lineari multifunzionali anche in configurazioni di stacking; (vI) sintonizzazione e commutazione completamente ottiche a controllo spaziale delle metasuperfici; (vii) metaspecchi completamente ottici ultraveloci efficienti; e (vii) nuovi laser ultraveloci e metodi di modulazione. Infine, è stata riportata la prima dimostrazione di strutturazione della luce ultraveloce con una piattaforma metasuperficiale multifunzionale (che sfrutta un design a cascata comprendente strutture metaottiche lineari e non lineari), e questo risultato è stato pubblicato su una rivista ad alto impatto, Nature Communications Vol. 15, 2507 (2024).

Il progetto ha inoltre rivelato nuove direzioni di ricerca non identificate nella proposta originale. In particolare, abbiamo scoperto che le non linearità guidate da portatori caldi su scala nanometrica possono trarre vantaggio dalle disomogeneità spaziali ultraveloci come nuovo grado di libertà per progettare la riconfigurazione completamente ottica delle metasuperfici. Inoltre, la polarizzazione della luce può essere controllata tramite generazione di luce non lineare. Sono state sviluppate anche nuove sorgenti laser ultraveloci e tecniche di modulazione ultraveloce. Infine, la nostra ricerca ha esplorato materiali alternativi rispetto a quelli utilizzati nel progetto principale, alla ricerca di una maggiore efficienza, capacità di produzione in serie e una risposta ottica ancora più rapida. Questi risultati hanno rappresentato competenze uniche del nostro Consorzio che sono state sfruttate fruttuosamente segnalando 7 innovazioni, stabilendo partnership e collaborazioni industriali, brevettando attività e aumentando il TRL in nuovi progetti.

Diversi giovani ricercatori sono stati coinvolti e hanno iniziato la loro formazione lungo le nuove direzioni di ricerca aperte da METAFAST. Grazie alle competenze sviluppate lavorando al progetto METAFAST, diversi giovani ricercatori di diverse Unità del nostro Consorzio hanno dato impulso alla loro carriera con finanziamenti iniziali, tra cui borse di studio ERC Starting e MSCA Global. La tecnologia innovativa sviluppata da METAFAST, con metasuperfici ultraveloci completamente riconfigurabili otticamente per la strutturazione della luce a velocità senza precedenti, può aprire la strada a una nuova rotta per le reti ottiche di prossima generazione, basate su collegamenti in ottica in spazio libero (FSO). I collegamenti FSO sono molto più facili ed economici da installare rispetto ai collegamenti in fibra ottica e possono quindi supportare la domanda di larghezza di banda posta dalla seconda rivoluzione di Internet (o "Internet delle cose") appena iniziata, con un impatto ambientale inferiore e una sostenibilità economica superiore. Questo scenario applicativo è attuale, poiché il mercato delle comunicazioni ottiche in spazio libero è in crescita: oltre 500 startup Light Fidelity (LiFi) sono ora operative in tutto il mondo. I ricercatori coinvolti nel progetto METAFAST contribuiranno sicuramente a uno sviluppo rivoluzionario in questo nuovo mercato emergente nel prossimo futuro.