Gli effetti elettromagnetici e ottici non lineari forniscono una piattaforma importante in un ampio spettro di tecnologie, compresa un'elevata generazione di armoniche, conversioni di frequenza somma e differenza, auto-focalizzazione, solitoni ottici, e assorbimento multifotonico. Quando è illuminato da un'elevata intensità luminosa, le proprietà del materiale vengono modificate a seconda delle ampiezze del campo elettromagnetico applicato, e il processo non lineare è notevolmente migliorato durante l'interazione tra luce e materiali, dando luogo a componenti spettrali a nuove frequenze. Sebbene negli ultimi anni siano stati ottenuti enormi progressi per le manipolazioni non lineari, l'efficienza complessiva della conversione di frequenza rimane ancora molto bassa.

Metamateriali, che di solito sono costituiti da array periodici o non periodici spazialmente distribuiti di risonatori a lunghezza d'onda inferiore, sono stati dimostrati come un potente strumento per alterare le risposte delle onde elettromagnetiche incidenti. Ottimizzando le geometrie degli elementi e i loro allineamenti spaziali, i metamateriali sono facili da creare proprietà altamente personalizzabili che possono essere sfruttate in un'ampia varietà di applicazioni come l'imaging a super risoluzione, occultamento ottico, e nuove antenne. Le caratteristiche non lineari dei metamateriali hanno mostrato potenziali emergenti per le conversioni di frequenza a causa dei campi locali indotti attorno ai risonatori. Però, il rapporto di conversione non è soddisfacente soprattutto sotto l'eccitazione di piccoli segnali.

In un nuovo documento pubblicato nella sede di Pechino Rassegna scientifica nazionale , scienziati dello State Key Laboratory of Millimeter Waves a Nanchino, Cina, il Laboratorio Nazionale di Ricerca sulla Comunicazione Mobile a Nanchino, Cina, e l'iniziativa fotonica, Centro di ricerca scientifica avanzata a New York, NOI, presentare gli ultimi progressi nella manipolazione armonica non lineare con una metasuperficie di codifica digitale programmabile nel dominio del tempo. Scoprono che la metasuperficie con riflettività variabile nel tempo può rispondere al vettore di eccitazione in modo non lineare in modo forte, con l'intensità armonica dipendente dalla sequenza di codifica digitale dell'ampiezza e della fase di riflessione.

Questi scienziati riassumono i dettagli della teoria e del metodo di progettazione della metasuperficie, e la futura applicazione di questa tecnologia.

Gli autori scrivono, "Ispirato dalle metasuperfici di codifica digitale nel dominio dello spazio, utilizziamo complesse strategie di modulazione per adattare simultaneamente le interazioni onda-materia e lo spettro di frequenza, in cui gli stati discreti di fase di riflessione della metasuperficie sono controllati dalla sequenza di codifica digitale. Dimostriamo che forti processi non lineari sono abilitati dalla modulazione temporale delle onde incidenti sulla metasuperficie con controlli accurati sia dell'ampiezza che delle distribuzioni di fase per tutte le armoniche".

La metasuperficie è composta da elementi di codifica periodici caricati con diodi varactor. "Guidato da diverse combinazioni di tensioni di uscita da un campo di gate programmabile array (FPGA), la nostra metasuperficie può implementare molte funzioni controllando gli stati di codifica digitale nel dominio del tempo, " loro scrivono.

"Come esempio di applicazioni, esploriamo l'implementazione di un nuovo sistema di comunicazione wireless BFSK (binary frequency-shift keying), che semplifica notevolmente le classiche architetture eterodina per i sistemi di rete wireless. Nel sistema BFSK proposto, le due frequenze portanti di base sono sintetizzate direttamente tramite la metasuperficie, senza utilizzare complicati convertitori analogico-digitali e filtri a microonde, miscelatori, e amplificatori, mostrando grandi vantaggi in termini di semplicità ed efficienza, "aggiungono.

"Il concetto e il metodo proposti aprono la strada a sistemi di comunicazione e radar semplificati e compatti per un'ampia gamma di frequenze, dall'acustica alle microonde e all'ottica, "prevedono gli scienziati.

Le intensità spettrali calcolate delle armoniche di uscita sotto diverse modulazioni PM. (a-b), Codifica PM a 1 bit 01010101... con la lunghezza della sequenza di codifica M=2 e il periodo di riflessione T=1μs. (cd), Codifica PM a 2 bit 00-01-00-01-... con M=2 e T=1μs. (e-f), Codifica PM a 2 bit 00-01-10-11-... con M=4 e T=2μs. g-h, Codifica PM a 2 bit 11-10-01-00-... con M=4 e T=2μs.