Il materiale che imprigiona la luce

Costringere la luce a rallentare, così che acciuffarla sia più semplice. Se infatti la radiazione elettromagnetica rimane più tempo a contatto con una superficie la possibilità che venga assorbita aumenta. È quanto sostenuto da un gruppo di ricercatori del Mit di Boston che, proprio basandosi su questo concetto, ha sviluppato un nuovo modello di cella solare in grado di assorbire con elevata efficienza la luce su un vasto intervallo di frequenze, utilizzando un metamateriale, ovvero una sostanza con proprietà diverse da quelle esistenti in natura. La ricerca ha coinvolto anche gli scienziati della Zhejiang University e della Taiyuan University (Cina), e della University of Illinois di Urbana-Champaign.

Per ora il modello ideato dai ricercatori esiste solo a livello teorico, come frutto di un’elaborazione al computer. L’idea alla base del progetto, presentato su Nano Letters, è stata quella di realizzare un dispositivo che superasse i limiti dei materiali esistenti oggi usati per imprigionare l’energia luminosa, in grado di assorbire solo un limitato spettro di radiazione elettromagnetica e solo a determinati angoli di incidenza. Per sviluppare questo materiale i ricercatori si sono ispirati al funzionamento delle nostre orecchie, con la coclea che percepisce diverse frequenze di suono in diverse parti, ha spiegato Nicholas X. Fang del
 Department of Mechanical Engineering
del Mit, a capo dello studio.

Gli scienziati hanno quindi sviluppato un modello così costituito: una serie di strutture a forma di cono, realizzate con strati sottili di metallo alternati a un materiale dielettrico. Realizzando nel complesso strutture simili ai denti di una sega. Le simulazioni effettuate al computer hanno mostrato che un sistema così realizzato cattura la luce di lunghezze d’onda maggiori nella parte bassa (quella più larga dei coni), mentre quelle di lunghezza minore sono assorbite nella parte alta (in pratica la lunghezza d’onda assorbita corrisponde via via alla grandezza dei vari strati del cono). L’efficienza di assorbimento della radiazione elettromagnetica del film sottile (sintonizzato nell’intervallo dell’infrarosso) è arrivata fino al 95%, su un vasto intervallo di frequenze e a diversi angoli di incidenza, hanno spiegato gli scienziati.

Questo perché utilizzando un metamateriale così realizzato è possibile rallentare la luce, fino a 1/100 della sua velocità nel vuoto, aumentando quindi il tempo a contatto con la superficie e di conseguenza l’efficienza di assorbimento.

Gli scienziati sono ora al lavoro per confermare anche in laboratorio i dati ottenuti con le simulazioni al computer. Se così sarà, questa nuova configurazione potrà essere utilizzata per realizzare celle solari in grado di assorbire, e quindi sfruttare, regioni più estese dello spettro elettromagnetico. Un metamateriale del genere potrebbe essere usato anche come sensore ottico, o come produttore di radiazione, anche nella zona del visibile, realizzando così lampadine ad alta efficienza.

Riferimenti: Nano Letters   

Credits immagine: Yanxia Cui