Metamateriale

Un metamateriale è un materiale creato artificialmente con proprietà elettromagnetiche peculiari che lo differenziano dagli altri materiali. Le sue caratteristiche macroscopiche non dipendono solo dalla sua struttura molecolare, ma anche dalla sua geometria realizzativa. In altri termini, un metamateriale guadagna le sue proprietà dalla sua struttura piuttosto che direttamente dalla sua composizione chimica.

Descrizione

Per distinguere i metamateriali da altri materiali compositi, il termine metamateriale viene di solito usato per un materiale che ha proprietà insolite. Il termine fu coniato nel 1999 da Rodger M. Walser dell'Università del Texas ad Austin. Egli definì i metamateriali come:

Compositi macroscopici aventi una architettura tridimensionale cellulare periodica e sintetica progettata per produrre una combinazione ottimizzata, non disponibile in natura, di due o più risposte a una specifica sollecitazione.

Ricercatori sull'elettromagnetismo spesso usano il termine in modo abbastanza ristretto per materiali che rivelano una rifrazione negativa. W.E. Kock sviluppò i primi metamateriali nei tardi anni '40 con antenne a lente metallica e lenti a ritardo metallico.

Alla Duke University Pratt School of Engineering e all'Imperial College di Londra è stato realizzato un metamateriale con indice di rifrazione negativo rispetto alle microonde con un array di piccole antenne risonanti metalliche di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda delle microonde. Il metallo utilizzato come materiale non ha la proprietà dell'indice di rifrazione negativo, ma la assume come metamateriale con quella particolare struttura geometrica.

Metamateriali elettromagnetici

I metamateriali sono di particolare importanza nell'elettromagnetismo (specialmente ottica e fotonica). Essi sono promettenti per le applicazioni ottiche e nel campo delle microonde come nuovi tipi di beam steerers, modulatori, filtri passa banda, lenti, accoppiatori di microonde, e radome di antenne.

Un metamateriale interessa le onde elettromagnetiche, avendo caratteristiche strutturali più piccole della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica con cui interagisce. Per esempio, se un metamateriale si trova a funzionare come materiale omogeneo fedelmente descritto da un effettivo indice di rifrazione, le sue caratteristiche devono essere più piccole della lunghezza d'onda. Per la luce visibile, la cui la lunghezza d'onda è tipicamente minore di un micrometro (560 nanometri per la luce del sole), le strutture sono generalmente la metà di questa dimensione o più piccole; per es., meno di 280 nanometri. Per la radiazione delle microonde, le strutture necessitano solo che siano sull'ordine di un decimetro. I metamateriali a frequenza delle microonde sono di solito artificiali, costruiti come schiere (arrays) di elementi elettricamente conduttivi (come doppino di filo metallico) che hanno caratteristiche induttive e capacitive idonee.

I metamateriali di solito sono composti da strutture periodiche, e di conseguenza hanno molte similarità con i cristalli fotonici e le superfici di frequenza selettive. Comunque, questi sono di solito considerati distinti dai metamateriali e le loro caratteristiche sono di dimensione simile alla lunghezza d'onda alla quale essi funzionano, e in questo modo non possono essere accostati a un materiale omogeneo.

Indice di rifrazione negativo

Un confronto di rifrazione in un metamateriale left-handed con quello di in un materiale normale

Il più grande potenziale dei metamateriali è la possibilità di creare una struttura con un indice di rifrazione negativo, poiché questa proprietà non viene trovata naturalmente in nessun materiale. Quasi tutti i materiali incontrati in ottica, come vetro o acqua, hanno valori positivi sia per la permittività $\varepsilon$ che per la permeabilità magnetica $\mu$. Ad ogni modo, molti metalli (come argento e oro) hanno $\varepsilon$ negativo alle lunghezze d'onda visibili. Un materiale avente l'uno o l'altro (ma non entrambi) $\varepsilon$ o $\mu$ negativo è opaco alla radiazione elettromagnetica.

Sebbene le proprietà ottiche di un materiale trasparente siano pienamente specificate dai parametri $\varepsilon$ e $\mu$, in pratica è spesso usato l'indice di rifrazione $N$.

$N$ può essere determinato da $N=\pm {\sqrt {\varepsilon \mu }}$. Tutti i materiali trasparenti conosciuti posseggono valori positivi per $\varepsilon$ e $\mu$. Per convenzione la radice quadrata positiva è usata per $N$.

Ad ogni modo, alcuni metamateriali progettati hanno $\varepsilon <0$ e $\mu <0$; perché il prodotto $\varepsilon \mu$ è positivo, $N$ è reale. In tali circostanze, è necessario prendere la radice quadrata negativa per $N$. Il fisico Viktor Veselago provò che tali sostanze possano trasmettere luce.

Le precedenti considerazioni sono semplicistiche per i materiali attuali, i quali devono essere valutati nel complesso $\varepsilon$ e $\mu$. Le parti reali di $\varepsilon$ e $\mu$ non devono essere negative per un materiale passivo che mostri rifrazione negativa.

I metamateriali con $N$ negativo hanno numerose proprietà sorprendenti:

• La Legge di Snell ($N_{1}\sin \theta _{1}=N_{2}\sin \theta _{2}$) riguarda ancora, ma con $N_{2}$ negativo, i raggi che saranno rifratti sullo stesso lato della normale penetrante il materiale.
• L'effetto Doppler è rovesciato: cioè, una sorgente di luce muovendo verso un osservatore sembra ridurre la sua frequenza.
• La radiazione di Cherenkov è invertita.
• Il vettore di Poynting di media durata è antiparallelo alla velocità di fase. Questo significa che al contrario di un materiale right-handed, i fronti d'onda si muovono in direzione opposta al flusso di energia.

Per le onde piane che si propagano in tali metamateriali, il campo elettrico, il campo magnetico e il vettore d'onda seguono la regola della mano sinistra di Fleming.

L'effetto di rifrazione negativo è analogo alla propagazione dell'onda in una linea di trasmissione left-handed, e tali strutture sono state usate per verificare alcuni degli effetti qui descritti.

Sviluppo e applicazioni

Un'applicazione dei metamateriali potrebbe essere quella di manipolare le frequenze comprese tra i 300 GHz e i 10 THz. Queste frequenze non possono essere gestite dalle apparecchiature elettroniche convenzionali per via della frequenza eccessivamente elevata ma nel contempo hanno frequenze troppo basse per essere gestite dalle apparecchiature ottiche. Ricercatori del Los Alamos National Laboratory utilizzando dei metamateriali sono riusciti a manipolare segnali entro questo intervallo di frequenze.

Si pensa si possano utilizzare i metamateriali per l'occultamento di velivoli o navi ai radar e alla radiazione ottica. Secondo la rivista PhysicsWorld ci sarebbe un progetto della Britannia Royal Navy College di ottenere ciò in 10 anni. Si sfrutterebbe la rifrazione negativa dei metamateriali.

I primi metamateriali furono sviluppati da W.E. Kock nei tardi anni '40. Le uniche proprietà dei metamateriali furono verificati dall'analisi dell'onda piena (full-wave) da Caloz ed altri (2001). Comunque, le strutture LH progettate dopo il 2002 furono prive di senso pratico per le applicazioni a microonde perché la loro larghezza di banda applicabile era troppo stretta e i loro coefficienti di trasmissione lenti. Eleftheriades ed altri (2002), e Caloz ed altri (2002) fornirono un metodo per realizzare metamateriali left-handed usando elementi ammucchiati artificiali caricati su linee di trasmissione nella tecnologia a microstrip.

Superlente

Fu per prima postulato da John Pendry e colleghi in Physical Review Letters che un materiale rifrangente negativo sarebbe capace di essere una lente perfetta a causa delle sue due proprietà:

1. Un'onda propagandosi in un mezzo rifrangente-negativo esibisce un avanzamento di fase invece che un ritardo di fase nei materiali convenzionali;
2. Le onde evanescenti in un mezzo rifrangente-negativo incrementano in ampiezza appena si allontanano dalla loro origine.

Fu dimostrato, comunque, attraverso argomenti geometrici semplici che per permettere la proprietà anzidetta #1, il tempo negativo deve essere forzato. Inoltre, se la proprietà #2 è realmente possibile, questo condurrebbe alla creazione di energia infinita a infinite distanze. Entrambe le proprietà in questo modo sembrano produrre comportamenti non-causali come solidamente enfatizzato da Ben A. Munk.

La prima superlente con indice di rifrazione negativo fornì una risoluzione tre volte migliore del limite di diffrazione e fu collaudata alle frequenze della microonda all'Università di Toronto da A. Grbic e G.V. Eleftheriades. Successivamente, la prima superlente ottica (una lente ottica che eccede il limite di diffrazione) fu creata e collaudata nel 2005 da Xiang Zhang ed altri di UC Berkeley, come riportato quell'anno nell'edizione del 22 aprile di Science, ma la loro lente non fece assegnamento sulla rifrazione negativa. Invece essi usarono una sottile pellicola d'argento per aumentare i modi evanescenti attraverso l'accoppiamento del plasmone di superficie. Questa idea fu per prima suggerita da John Pendry nelle Physical Review Letters.

Zhang e i suoi colleghi ricercatori alla UC Berkeley annunciarono due sviluppi significativi nel 2008 riguardo alla ricerca sulla superlente. Nel primo caso, essi depositarono strati alternati di argento e fluoruro di magnesio su un substrato, in questo caso tagliando griglie in nanoscala dentro gli strati, che risultarono in una struttura composita con indice di rifrazione negativo nella luce vicina all'infrarosso, la prima struttura tridimensionale ad ottenere questo attributo nel campo ottico. Nel secondo caso essi formarono un metamateriale dai nanowire di argento che furono elettrochimicamente depositati in ossido di alluminio poroso. Il materiale risultante mostrò rifrazione negativa sotto i 660 nm, così esso è il primo metamateriale di grande mole a possedere NI nel campo visibile dell'ottica. All'inizio del 2007, un metamateriale con un indice di rifrazione negativo per le lunghezze d'onda della luce visibile fu annunciato da un gruppo congiunto di ricercatori all'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e all'Università di Karlsruhe in Germania. Il materiale ebbe un indice di -0.6 a 780 nanometri.

Dispositivi mascheranti

I metamateriali possono essere un punto di partenza possibile per costruire dispositivi mascheranti o dispositivi di occultamento (cloaking device). Un tale dispositivo coinvolge gli oggetti circostanti coprendoli (mascherandoli) con una conchiglia che simula nei suoi pressi il passaggio di luce. Il 14 febbraio del 2005, Andrea Alů e Nader Engheta all'Università della Pennsylvania pubblicarono un documento di ricerca nel quale si sosteneva che i plasmoni potessero essere usati per neutralizzare la luce visibile o la radiazione proveniente da un oggetto. Questa 'coperta plasmonica' lavorerebbe per nascondere la diffusione della luce attraverso la risonanza con luce illuminata, che potrebbe rendere gli oggetti "quasi invisibili a un osservatore". Lo schermo plasmonico sarebbe sintonizzato a un oggetto che si tiene nascosto, sopprimendo solo una specifica lunghezza d'onda - un oggetto reso invisibile alla luce rossa sarebbe ancora visibile nella multi-lunghezza d'onda della luce del giorno.

Un concetto per un dispositivo mascherante fu proposto da due matematici su uno dei giornali della Royal Society nel Regno Unito. Precisamente in seguito, i programmi per la costruzione di un dispositivo mascherante furono resi pubblici su Science da ricercatori degli Stati Uniti e Regno Unito. Ad ogni modo, gli "scienziati non coinvolti nel lavoro dissero che i progetti sembravano fattibili, ma avrebbero richiesto materiali più progrediti che allo stato attuale non esistevano".

Nell'ottobre del 2006, un gruppo di scienziati britannici e statunitensi creò un metamateriale che rendeva un oggetto invisibile alla radiazione delle microonde. Poiché la luce è precisamente un'altra forma di radiazione elettromagnetica, questo venne considerato il primo passo verso un dispositivo mascherante per la luce visibile, sebbene più tecniche della nanoingegneria avanzata fossero necessitate ad essere adatte alle lunghezze d'onda corte della luce visibile.

Il 2 aprile del 2007, due ingegneri della Purdue University annunciarono un progetto teorico per un dispositivo mascherante ottico basato sul concetto britannico del 2006. Il progetto schiera un apparato di minuscoli aghi progettati per un raggio di centrale che renderebbe un oggetto come fosse dentro un manto invisibile ad una lunghezza d'onda di 632.8 nanometri.

La Duke University e l'Imperial College London stanno attualmente facendo ricerche riguardo a questo uso di metamateriali e sono riusciti a nascondere un oggetto allo spettro delle microonde utilizzando speciali anelli concentrici; le microonde furono semplicemente influenzate dalla presenza dell'oggetto nascosto.

Altri usi

I metamateriali sono stati proposti per progettare antenne agili. Una ricerca del National Institute of Standards and Technology ha dimostrato che pellicole sottili di metamateriali possono fortemente ridurre la dimensione dei circuiti risonanti che generano le microonde, potenzialmente permettendolo perfino ai più piccoli cellulari e altri dispositivi a microonde. È stato teorizzato che i metamateriali potrebbero essere progettati per flettere la materia circostante a causa delle sue proprietà subatomiche. Similmente un mantello di metamateriale potrebbe per esempio piegare un proiettile attorno a una persona piuttosto che assorbire l'impatto come fanno i tradizionali giubbotti antiproiettile.

Modelli teorici

I materiali left-handed (LH) furono per la prima volta descritti teoricamente da Victor Veselago mel 1967.

John Pendry fu il primo a teorizzare una maniera pratica di realizzare un metamateriale left-handed (LHM). 'Left-handed' in questo caso significa un materiale in cui la 'regola della mano destra' non viene rispettata, permettendo a un'onda elettromagnetica di trasportare energia (avere una velocità di gruppo) nella direzione opposta alla sua velocità di fase. L'idea iniziale di Pendry era che i fili metallici allineati lungo la direzione di propagazione potrebbero fornire un metamateriale con permittività negativa (ε<0). Notate che, comunque, i materiali naturali (come quelli ferroelettrici) erano da sempre conosciuti come aventi permittività negativa; la sfida fu quella di costruire un materiale che mostrasse anche permeabilità negativa (µ<0). Nel 1999 Pendry dimostrò che un anello aperto (forma a 'C') con il suo asse posto lungo la direzione della propagazione dell'onda potrebbe fornire una permeabilità negativa. Nello stesso documento, mostrò che un array periodico di fili ed anelli potrebbe dare origine a un indice di rifrazione negativo. Una correlata particella di permeabilità negativa, proposta anche da Pendry, è il cosiddetto rotolo svizzero (Swiss roll).

L'analogia è come segue: I materiali naturali sono fatti di atomi, i quali sono dipoli. Questi dipoli modificano la velocità della luce per un fattore n (l'indice di rifrazione). L'anello e il filo insieme giocano il ruolo di dipoli atomici: il filo si comporta come un atomo ferroelettrico, mentre l'anello funge da induttore L e la sezione aperta come un condensatore C. L'anello perciò come un intero agisce da circuito LC. Quando il campo elettromagnetico passa attraverso l'anello, viene a crearsi una corrente indotta e il campo generato risulta perpendicolare al campo magnetico della luce. La risonanza magnetica risulta con una permeabilità negativa, come pure l'indice di rifrazione. (La lente non è veramente piatta, poiché la capacità della struttura impone un'inclinazione per l'induzione elettrica.)

Intelligenza artificiale

L'intelligenza artificiale aiuta lo sviluppo di metamateriali meccanici, predicendone le caratteristiche combinatoriali mediante Reti neurali convoluzionali.

Voci correlate

• Tecnologie emergenti
• Ottica della trasformazione
• Filo di Litz è una struttura 3D progettata per ridurre l'effetto pelle
• Cristallo fotonico
• Metamateriale fotonico
• Metamateriale plasmonico
• Metamateriale sismico

Altri progetti

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Metamateriale

Collegamenti esterni

• Metamateriali per controllare i terahertz, su lescienze.espresso.repubblica.it.
• Portale dei metamateriali, su metamaterials.net. URL consultato il 15 gennaio 2018 (archiviato dall'url originale il 25 dicembre 2012).
• Studio e progettazione di metamateriali acustici per applicazioni militari. (CeMiSS), su difesa.it.
• Metamateriale e rifrazione negativa, su punto-informatico.it.
• International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META), su metaconferences.org, 2002. URL consultato il 30 aprile 2020 (archiviato il 30 aprile 2020).

(EN) Gruppi di ricerca (in ordine alfabetico)

1. Allan Boardman's Group - UK
2. Min Qiu's Nanophotonics group, Royal Institute of Technology (KTH), Sweden
3. Shuangchun Wen Research Group, Hunan University- CN
4. Christophe Caloz' research group — Canada
5. George Eleftheriades's research group — Canada
6. Nader Engheta - US
7. FGAN-FHR — Germany
8. BCC Research's Report on Metamaterials
9. M. Saif Islam's Research Group, University of California at Davis - USA Archiviato il 4 aprile 2009 in Internet Archive.
10. Tatsuo Itoh`s group — USA
11. Akhlesh Lakhtakia - USA
12. Yang Hao's Group, Queen Mary, University of London - UK
13. Herbert Moser's Group, Singapore Synchrotron Light Source — Singapore
14. Ekmel Özbay`s Research group, Bilkent University - Turkey
15. Sir John Pendry's group — References — Imperial College — UK
16. Willie Padilla's research group — Boston College — USA
17. Viktor Podolskiy's group — Oregon State University — USA
18. Vladimir Shalaev's Research Group, Purdue University, USA
19. Shvets Research Group, University of Texas at Austin - USA
20. David Smith's research group — Duke University — USA Archiviato il 5 luglio 2008 in Internet Archive.
21. Costas Soukoulis at IESL, Greece — Photonic, Phononic & MetaMaterials Group
22. Srinivas Sridhar's Group, Northeastern University — USA
23. Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials ("METAMORPHOSE VI AISBL")
24. "Metamorphose" EU Network of Excellence on Metamaterials. Coordinator: Sergei Tretyakov
25. Irina Veretennicoff's research group, Vrije Universiteit Brussel — Belgium
26. Martin Wegener's Metamaterials group, Universität Karlsruhe (TH) — Germany
27. Georgios Zouganelis's Metamaterials Group, NIT — Japan Archiviato il 26 febbraio 2021 in Internet Archive.
28. Xiang Zhang's group, Berkeley USA
29. Applied Electromagnetics Laboratory, Lucio Vegni's group, Università "Roma Tre", Rome Archiviato il 2 maggio 2009 in Internet Archive.
30. Takuo Tanaka and Satoshi Kawata, Nanophotonics Lab., RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research), Japan
31. Said Zouhdi's group, LGEP at SUPELEC, France
32. Sergei Tretyakov's group, Helsinki University of Technology, Finland
33. CIMITEC, Universitat Autònoma de Barcelona, Spain
34. Sambles and Barnes Research Group, University of Exeter - UK
35. Nikolay Zheludev Research Group, University of Southampton - UK
36. GAME - Group for Artificial EM Materials and Microwave Engineering, Vesna Crnojevic-Bengin's group, University of Novi Sad, Serbia

(EN) Portali internet

1. Journal "Metamaterials" published by Elsevier (homepage)
2. Online articles: "Metamaterials" in ScienceDirect
3. RSS feed for Metamaterials articles published in Physical Review Journals
4. MetaMaterials.net Web Group
5. Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials ("METAMORPHOSE VI AISBL")
6. European Network of Excellence "METAMORPHOSE" on Metamaterials

(EN) Ulteriori articoli e presentazioni (il più recente è il primo)

1. UWB Tunable Delay System, Prof Christophe Caloz, Ecole Polytechnique de Montreal)
2. Metaphotonics.de - Information about Photonic Metamaterials in Karlsruhe (HHNG Dr. Stefan Linden and Prof. Dr. Martin Wegener)
3. Realistic raytraced images, videos and interactive web-based demonstrations of materials with negative index of refraction.
4. Cloaking devices, nihility bandgap, LF magnetic enhancement, perfect radome Archiviato il 26 febbraio 2021 in Internet Archive. NIT Japan
5. Left-Handed Flat Lens HFSS Tutorial EM Talk Tutorial
6. Journal of Optics A, February 2005 Special issue on Metamaterials
7. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction
8. How To Make an Object Invisible
9. Metamaterials hold key to cloak of invisibility