Metamateriali per manipolare la luce:a) il camuffamento naturale di un cefalopode che può cambiare il colore e la consistenza della pelle in risposta a uno stimolo esterno e adattarsi all'ambiente esterno, b) un esempio di un precedente metadispositivo Laplaciano connesso e controllato da un complesso FPGA (Field Programble Gate Array), c) dimostrazione schematica di un metadispositivo di illusione programmabile a luce più semplice proposto nello studio, d) un esempio schematico che mostra un'illusione creata manipolando le coordinate della luce. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-018-30612-5
Per abilitare la rifrazione negativa e le relative illusioni ottiche, i metamateriali sono ingegnerizzati artificialmente con proprietà uniche che derivano dalle loro strutture fisiche interne, piuttosto che la loro composizione chimica. Il concetto è attribuito a un esperimento condotto dallo scienziato sovietico Victor Veselago nel 1968 per dimostrare che i materiali a rifrazione negativa (al contrario dell'indice di rifrazione positivo tipicamente osservato) per creare una "superlente" con indice negativo potrebbero essere raggiunti quando sia la permittività elettrica (ε ) e la permeabilità magnetica (µ) di un materiale erano negative. A trentatré anni dalla proposta concettuale, il lavoro pionieristico del fisico John Pendry ha permesso lo sviluppo di metamateriali come immaginato da Veselago:un materiale composito con indice di rifrazione negativo che fornisce una risoluzione notevolmente migliorata.
Il nuovo paradigma della scienza dei materiali è stato chiamato "metamateriali, " dalla parola greca metamorfosi per indicare un cambiamento di condizione. I ricercatori di metamateriali cercano di costruire nuovi materiali da oggetti artificiali con proprietà oltre il convenzionale. Decenni dopo, il lavoro continua ad attirare nuovo interesse grazie ai progressi nel campo dei metamateriali, che includono metadispositivi che sono estensioni logiche del concetto di sfruttamento delle funzionalità inerenti al framework metamateriale. Il campo è notevolmente progredito negli ultimi anni dall'ottica di trasformazione alla manipolazione delle proprietà elettromagnetiche e all'induzione della trasparenza per creare mantelli dell'invisibilità, generando una grande attenzione, mentre ci si sposta verso sintonizzabile, commutabile, funzionalità non lineari e di rilevamento.
In pratica, i dispositivi fotonici hanno ampie implicazioni con il potenziale per soddisfare le crescenti richieste di un trasferimento di informazioni più rapido rimuovendo il collo di bottiglia delle reti di telecomunicazione ottiche basate su fibra, e persino consentendo il camuffamento militare. I compiti possono essere eseguiti con forti, non linearità veloci per la commutazione della luce con la luce, e un migliore controllo delle proprietà elettromagnetiche dei metamateriali con stimoli esterni come segnali elettrici. Ora scrivendo Rapporti scientifici , Cheng-Wei Qiu e collaboratori hanno sviluppato un metodo sperimentale per incorporare più funzioni in un metadispositivo passivo a corrente continua (DC) laplaciano utilizzando l'illuminazione della luce senza contatto fisico.
Per dimostrare la dimostrazione del concetto, il team di scienziati ha fabbricato una rete in cui i dati di misurazione concordavano eccezionalmente bene con le previsioni teoriche e i risultati della simulazione. L'esperimento è stato reso possibile da un'analogia tra materiali elettricamente conduttivi e reti di resistori. I ricercatori hanno cercato di progettare, fabbricare e testare un metadispositivo utilizzando la teoria dei circuiti. La capacità di manipolare correnti stazionarie controllando le conducibilità anisotrope ha molte potenziali applicazioni; l'obiettivo dello studio era ideare un occultamento programmabile leggero, illusione completa e illusione parziale per consentire il camuffamento. Lo schema proposto può aprire nuove strade verso il controllo multifisico senza contatto delle funzioni per tutti i tipi di campi laplaciani, compresi i campi magnetici CC e i campi termici.
A semplice dimostrazione del concetto teorico proposto, gli scienziati hanno realizzato sperimentalmente un metadispositivo utilizzando una rete di resistori composta da otto resistori, sintonizzabile attraverso l'illuminazione leggera, per comando a distanza senza contatto. Durante la verifica sperimentale Han et al., utilizzato resistori commerciali a film metallico in parallelo ai resistori dipendenti dalla luce per ottenere le prestazioni controllate otticamente. Come riferimento hanno anche fabbricato un mantello DC, senza fotoresistenze integrate. La configurazione sperimentale utilizzava un alimentatore CC con ampiezza di 5 V come sorgente e la tensione è stata misurata utilizzando un multimetro a 4,5 cifre. Quando la distribuzione della tensione è stata simulata per il mantello CC di riferimento, le distribuzioni potenziali al di fuori del mantello restituite esattamente a quelle nello spazio omogeneo, per rendere invisibile all'osservatore esterno il componente centrale del dispositivo. Allo stesso modo, il risultato misurato per il mantello DC di riferimento fabbricato ha dimostrato eccellenti prestazioni di occultamento in buon accordo con la sua simulazione.
Prova del concetto:a) una fotografia del metadispositivo programmabile a luce fabbricato che combina materiali elettricamente conduttori con una rete di resistori (i resistori sensibili alla luce sono visibili nel riquadro), un mantello DC di riferimento è visto di seguito - fabbricato senza fotoresistenze b) illustrazione schematica della configurazione sperimentale, le linee verdi indicano i resistori dipendenti dalla luce (RL) in parallelo ai resistori commerciali (R) nel metadispositivo programmabile per la luce, c) la distribuzione di tensione simulata per il mantello CC di riferimento, d) la tensione misurata corrispondente a (c). Le linee equipotenziali sono rappresentate con il colore bianco nel pannello. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-018-30612-5
Risultati simili sono stati osservati per le prestazioni del metadispositivo a controllo luminoso proposto, mostrando un eccellente accordo tra l'esperimento e la simulazione. In base alla progettazione, ci si aspettava che il metadispositivo fungesse da dispositivo di illusione in campo luminoso chiaro (trasformasse una percezione reale in una percezione arbitrariamente pre-controllata) e diventasse invisibile in campo scuro (ottenuto sperimentalmente utilizzando un materiale opaco per coprire il dispositivo). Il metadispositivo è stato in grado di passare dall'occultamento all'illusione, entro un tempo di risposta di 0,2 secondi, basato sull'illuminazione della luce.
Inoltre, gli autori sono stati in grado di dimostrare un'illusione parziale quando una parte del metadispositivo è stata esposta a un campo luminoso, in cui le simulazioni numeriche e i dati di misura erano di nuovo in ottimo accordo, dimostrare la proprietà controllabile e flessibile dello schema proposto. Nello studio, le simulazioni sono state basate sul metodo degli elementi finiti (FEM). Tutti i resistori erano resistori commerciali a film metallico con una precisione dell'1% con resistori sensibili alla luce in parallelo per realizzare il metadispositivo controllato dalla luce proposto dalla teoria dei circuiti. L'idea può essere estesa ad altri campi governati dall'equazione di Laplace, inclusi i campi magnetici e termici.
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