Una piastra di zona è un mezzo di materiale piatto e circolare utilizzato per focalizzare la luce o altre onde elettromagnetiche, come i raggi X, utilizzando i principi della diffrazione. Sono spesso indicati come piastre di zona di Fresnel e sono correlati alla lente di Fresnel, entrambi i quali prendono il nome da un ingegnere francese del XIX secolo, Augustin-Jean Fresnel, che studiò la natura dell’ottica. Gli effetti del reticolo di diffrazione con una piastra di zona o una lente di Fresnel hanno applicazioni in fotografia, microscopia e olografia a raggi gamma, nonché per potenziali sistemi di antenne spaziali.
Le placche di zona utilizzano il principio della diffrazione per piegare un’onda di luce o altra energia, come onde sonore o di materia a livello quantistico di neutroni liberi e atomi di elio, piegando il loro angolo di incidenza quando impattano su mezzi trasparenti e opachi. Ciò crea un livello di interferenza costruttiva con le onde luminose nel punto in cui vengono a fuoco oltre la piastra di zona, che può aumentare la risoluzione per alcuni aspetti dell’onda luminosa o energetica. Per elaborare tutte le radiazioni elettromagnetiche che impattano su una superficie in questo modo, una lastra di zona è costituita da cerchi concentrici che alternano qualità riflettenti o opache e qualità trasparenti o luminose, che le conferiscono l’aspetto di un bersaglio.
Un tipo speciale di piastra di zona in cui gli anelli scuri e chiari si sbiadiscono l’uno nell’altro creerà un unico punto focale, che è stato utilizzato con i raggi gamma nel campo dell’olografia per immagini mediche. L’idea è oggetto di ricerca per l’imaging delle regioni intorno agli isotopi traccianti introdotti nel corpo nella medicina nucleare. Poiché la sorgente radioattiva illumina una lastra di zona, la lastra proietta un’ombra che può essere registrata su pellicola fotografica di dimensioni inferiori rispetto alla sorgente effettiva. Questa immagine riflette con precisione lo schema di interferenza creato dalla piastra di zona in tre dimensioni e l’immagine fotografata può essere successivamente illuminata con luce ordinaria per ricostruire l’immagine ed esaminare in dettaglio la struttura attorno agli isotopi.
La microscopia a raggi X è uno dei principali ambiti di ricerca per l’uso di dispositivi a reticolo di diffrazione come le piastre a zona. Questo perché i materiali delle lenti tradizionali come il vetro rifletteranno i raggi X o li diffrangeranno solo debolmente invece di focalizzarli, a causa della loro piccola lunghezza d’onda, e le piastre di zona devono essere costruite su una scala nanometrica per ottenere l’effetto di messa a fuoco desiderato. Tipicamente una lastra a zona per raggi X ha un diametro circolare di circa 4 millimetri e spessori di zona compresi tra 50 e 300 nanometri. Tali lenti a piastra di zona possono focalizzare i raggi X fino a una risoluzione fino a 10 nanometri o 10 miliardesimi di metro. In confronto, una tipica molecola di acqua, o H2O, ha un diametro di circa 1 nanometro. Ciò rende possibile studiare materiali biologici, cristalli e altre strutture a livello atomico con un buon grado di risoluzione ottica.
Utilizzando piastre di zona fatte di tungsteno dello spessore di 1 millimetro per catturare raggi X ad alta energia con livelli di energia fino a 250,000 elettronvolt (250 keV), in sistemi di antenne spaziali è stato studiato dal 1968 al 2003. Questo va oltre la capacità dei materiali per lenti convenzionali, che non possono catturare fotoni sopra i 10 keV. In un esperimento sono state utilizzate piastre a due zone in tandem, con un diametro di 2.4 centimetri contenente 144 zone concentriche, poste nel telescopio a 30 centimetri di distanza. Hanno dimostrato una risoluzione di circa 30 secondi d’arco, senza punti arago nel processo di proiezione dell’ombra per i raggi X. Un punto di arago, o punto di Poisson, è un tipico punto energetico che appare al centro dell’ombra di un modello di diffrazione di Fresnel in cui si verifica un’interferenza costruttiva tra lunghezze d’onda di energia. Le antenne a riflettore a piastra di zona per veicoli spaziali sono viste come un balzo tecnologico in avanti rispetto all’antenna parabolica tradizionale, essendo di costo e peso molto inferiori, con caratteristiche di prestazioni ad alto guadagno ed efficienze per catturare fino al 95% della radiazione incidente.