La ricerca sui metamateriali sfida i limiti fondamentali della fotonica

I ricercatori di Cornell stanno proponendo un nuovo metodo per modulare sia le qualità di assorbimento che di rifrazione dei metamateriali in tempo reale, e le loro scoperte aprono intriganti nuove opportunità per controllare, nel tempo e nello spazio, la propagazione e la dispersione delle onde per applicazioni in varie aree di fisica e ingegneria.

La ricerca pubblicata sulla rivista Optica, “Spectral causality and the scattering of wave”, è stata scritta dai dottorandi Zeki Hayran e Aobo Chen, insieme al loro consulente Francesco Monticone, assistente professore presso la School of Electrical and Computer Ingegneria.

Il lavoro teorico mira ad espandere le capacità dei metamateriali di assorbire o rifrangere le onde elettromagnetiche. La ricerca precedente si limitava a modificare l’assorbimento o la rifrazione, ma il Gruppo di ricerca Monticone ha ora dimostrato che se entrambe le qualità vengono modulate in tempo reale, l’efficacia del metamateriale può essere notevolmente aumentata.

Questi metamateriali modulati temporalmente, a volte indicati come “crono-metamateriali“, possono aprire opportunità inesplorate e consentire progressi tecnologici nell’elettromagnetismo e nella fotonica.

“Quello che dimostriamo“, afferma Monticone, “è che se si modulano entrambe le proprietà nel tempo, si riesce ad assorbire le onde elettromagnetiche in modo molto più efficiente che in una struttura statica o in una struttura in cui si modula uno di questi due gradi di libertà individualmente. Abbiamo unito questi due aspetti per creare un sistema molto più efficace.”

I risultati potrebbero portare allo sviluppo di nuovi metamateriali con proprietà di assorbimento e diffusione delle onde che superano di gran lunga quanto attualmente disponibile. Ad esempio, un assorbitore a banda larga deve essere più spesso di un certo valore per essere efficace, ma lo spessore del materiale limiterà le applicazioni del progetto.

“Per ridurre lo spessore e aumentare la larghezza di banda di un tale assorbitore, è necessario superare i limiti dei materiali convenzionali”, ha affermato Hayran. “Uno dei modi per aggirare queste limitazioni è attraverso la modulazione temporale della struttura”.

L’obiettivo del gruppo Monticone è quello di aprire nuove aree di ricerca per produrre applicazioni pratiche sempre più efficienti.

“Quello che stiamo cercando di fare non sono cambiamenti incrementali alla tecnologia”, sostiene Monticone. “Vogliamo cambiamenti dirompenti. Questo è davvero ciò che ci motiva. Quindi, come possiamo apportare un notevole miglioramento alla tecnologia e non solo un miglioramento incrementale? Per farlo, molto spesso, bisogna tornare ai fondamenti”.

La nuova ricerca spinge i limiti dell’assorbimento delle onde elettromagnetiche utilizzando un altro grado di libertà, che è la modulazione nel tempo, qualcosa che non è tipicamente fatto in questo settore, ma che ora riceve una crescente attenzione da parte della ricerca.

Con una nuova base teorica in atto, l’implementazione sperimentale di modulazioni temporali di questo tipo è la sfida per ulteriori ricerche. Un esperimento fisico dovrebbe prima progettare un meccanismo per controllare la modulazione delle qualità di assorbimento e rifrazione di un materiale nel tempo, che potrebbe includere raggi laser o componenti a microonde.

Le idee hanno implicazioni dirette per diverse applicazioni, come l’assorbimento radar a banda larga, l’invisibilità temporale e l’occultamento. Le applicazioni potrebbero estendersi anche ad altri domini della fisica delle onde come l’acustica e l’elastodinamica.

“I nostri risultati e gli entusiasmanti risultati di altri ricercatori che lavorano in questo settore, evidenziano le molte opportunità offerte dai metamateriali variabili nel tempo per l’elettromagnetismo e la fotonica sia classici che quantistici“, ha aggiunto Monticone.