Metaspecchio riflettente anomalo. Lo studio viene effettuato per ϕr =0, i =0°, e r =70°. (A) Rappresentazione schematica del problema. (B) Distribuzione del vettore di intensità dettata dalle equazioni derivate nello studio. (C) La funzione di livello della curva normalizzata gn(x, y) =g(x, y)/I0. Le linee bianche rappresentano le curve di livello, cioè., le curve parallele al vettore di intensità in ogni punto. (D) Impedenza di superficie. La curva di livello corrispondente associata a questa impedenza è contrassegnata dalla linea tratteggiata in (C). Simulazione numerica della risposta di una metasuperficie conforme alla potenza:(E) Metasuperficie modellata come confine reattivo disomogeneo. La linea verde mostra la superficie di confine. (F) Implementazione effettiva utilizzando tubi con estremità rigida. Le linee rosse indicano le superfici modellate come contorni netti. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aau7288
Le metasuperfici sono metamateriali bidimensionali (2-D) in grado di controllare le onde di dispersione di un raggio di luce. Le loro applicazioni includono polarizzatori a foglio sottile, divisori di raggio, sterzanti e lenti. Queste strutture possono controllare e trasformare le onde d'urto in base alla legge di riflessione e rifrazione generalizzata (GSL; legge di Snell generalizzata e legge di riflessione generalizzata), che afferma che piccoli elementi di sfasamento possono controllare le direzioni delle onde riflesse e trasmesse.
In un recente studio, Ana Díaz-Rubio e collaboratori in Finlandia e negli Stati Uniti hanno studiato le metasuperfici riflettenti note come metaspecchi. Il lavoro si è basato sulla distribuzione del flusso di potenza e sull'adattamento della forma del riflettore per progettare le distribuzioni desiderate dei campi incidente e riflesso, con conseguente metaspecchi altamente efficienti. Il lavoro ha studiato la riflessione anomala e la divisione del fascio per onde acustiche ed elettromagnetiche, e i risultati sono ora pubblicati in Progressi scientifici .
Solo di recente gli scienziati hanno compreso la fisica della trasformazione delle onde mediante metasuperfici. Per comprendere le difficoltà di controllare le riflessioni dalle metasuperfici, gli scienziati hanno considerato il flusso di energia in prossimità di riflettori anomali. Ad esempio, in teoria, ci saranno regioni in cui la potenza trasportata dall'onda incidente e riflessa di interesse "entra" nella metasuperficie e regioni in cui la potenza "emerge" dalla superficie. I fenomeni indicavano che le metasuperfici richiedevano una risposta guadagno/perdita distribuita periodicamente o un comportamento fortemente non locale. Per raggiungere questo obiettivo in pratica, gli scienziati possono progettare attentamente il profilo di resistenza superficiale dei materiali per riflessioni ad alta efficienza in direzioni arbitrarie.
Per di più, due onde riflesse possono essere controllate simultaneamente per progettare completamente le riflessioni delle onde. Il lavoro precedente aveva dimostrato che la progettazione di metasuperfici a gradiente di fase basata sulla legge di riflessione generalizzata aveva efficienze più elevate se l'angolo di deflessione non superava i 40-45 gradi. Per progettare dispositivi altamente efficienti come ologrammi o lenti, onde riflesse multiple devono essere controllate senza riflessioni parassite. Come meccanismo di guida del potere, gli scienziati hanno precedentemente progettato campi evanescenti dietro le metasuperfici per realizzare interazioni non locali tra i meta-atomi.
Ripartitore di fascio asimmetrico (70 e 30%). L'analisi viene eseguita per ϕ1 =ϕ2 =0, i =0°, e r =±70°. (A) Rappresentazione schematica del problema. (B) Distribuzione dell'intensità. C) La funzione di livello della curva normalizzata gn(x, y) =g(x, y)/I0. Le linee bianche rappresentano le curve di livello, cioè., le curve parallele al vettore di intensità. (D) Impedenza di superficie. La curva di livello corrispondente associata a questa impedenza è contrassegnata dalla linea tratteggiata in (C). Risultati numerici per la metasuperficie conforme alla potenza:(E) Metasuperficie modellata come limite di impedenza. La linea verde mostra la posizione del confine. (F) Implementazione effettiva utilizzando tubi con estremità rigida. Le linee rosse mostrano le pareti del tubo modellate come confini rigidi. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aau7288
Nel nuovo studio, Diaz-Rubio et al. studiato la possibilità di creare metaspecchi in grado di riflettere onde in direzioni arbitrarie, senza dispersione parassitaria e senza necessità di campi evanescenti in prossimità della metasuperficie. Gli scienziati hanno introdotto un metodo di progettazione multifisica per creare metaspecchi acustici o elettromagnetici per modellare le onde riflesse. Hanno descritto un metodo sistematico per progettare metaspecchi teoricamente perfetti basato su un approccio contenente quattro passaggi, Compreso:
Gli scienziati hanno eseguito simulazioni numeriche nello studio utilizzando l'analisi degli elementi finiti del software COMSOL Multiphysics. I progetti proposti sono stati simulati e calcolati utilizzando condizioni al contorno di pareti dure. Gli scienziati hanno simulato l'illuminazione come un'onda piana perfetta, implementato utilizzando condizioni di dominio del campo di pressione di fondo.
Verifica sperimentale. (A) Rappresentazione schematica della configurazione sperimentale e una fotografia del campione fabbricato. (B) Confronto tra la diffusione normalizzata dei metaspecchi riflettenti anomali per diverse larghezze di fascio, w0:simulazione (sim.) del metaspecchio conforme (w0 =40 e 60 cm), verifica sperimentale del metaspecchio conforme (w0 =40 cm), e disegno GSL simulato (w0 =40 cm). Lo scattering normalizzato è calcolato con una trasformata di Fourier dei campi di pressione lungo una linea sulle metasuperfici. (C e D) Analisi della parte reale (C) e del quadrato di magnitudo (D) del campo di pressione sperimentale e confronto con simulazioni numeriche. a.u., unità arbitrarie. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aau7288
L'approccio progettuale introdotto da Díaz-Rubio et al. non ha richiesto alcuna ottimizzazione numerica per la comprensione fisica dei complessi fenomeni di riflessione e diffrazione. I risultati dello studio hanno quindi fornito un chiaro vantaggio per l'uso nella progettazione e nello sviluppo di dispositivi pratici. Come prova di concetto, gli scienziati hanno condotto una convalida sperimentale nello studio, per i quali hanno scelto metaspecchi acustici in grado di riflettere le onde acustiche normalmente incidenti nella direzione di 70 gradi. Diaz-Rubio et al. progettato i metaspecchi utilizzando tubi chiusi stampati in 3D, dove la geometria della superficie ha seguito il contorno conforme perpendicolare alla direzione del flusso di potenza come simulato numericamente.
Nell'esperimento, gli scienziati hanno condotto misurazioni per ottenere i campi sparsi. I risultati hanno mostrato che più energia viaggiava nella direzione desiderata, mentre una quantità residua di energia si disperde in altre direzioni. Le imperfezioni osservate erano una conseguenza della larghezza finita della trave; perciò, le prestazioni dei metaspecchi erano migliori con fasci più ampi. Da questa analisi, gli scienziati hanno dimostrato che l'energia diffusa in direzioni indesiderate potrebbe essere notevolmente ridotta aumentando la larghezza del raggio nella configurazione sperimentale. In questo modo, Diaz-Rubio et al. ha mostrato una maggiore efficienza del metaspecchio conforme rispetto al corrispondente design convenzionale.
Per misurazioni sperimentali di mappatura del campo con onde acustiche, gli scienziati hanno utilizzato un array di altoparlanti con 28 altoparlanti per inviare un raggio modulato gaussiano alla metasuperficie e scansionare il campo utilizzando un microfono mobile a un passo di 2 cm. Hanno ottenuto il campo acustico in ogni punto, che hanno poi calcolato utilizzando il metodo della trasformata di Fourier. I campi acustici misurati a 3000 Hz erano in ottimo accordo con le simulazioni. Quando gli scienziati hanno misurato l'efficienza dei metaspecchi in base all'energia diffusa, hanno ottenuto un valore al 96,9 per cento, convalidare il loro approccio.
La validazione sperimentale riportata in questo studio da Díaz-Rubio et al. è la prima implementazione di un metaspecchio acustico riflettente anomalo che potrebbe superare i limiti di efficienza dei precedenti progetti basati su GSL. Gli scienziati avevano precedentemente utilizzato metasuperfici conformi per progettare dispositivi di occultamento, illusioni ottiche e acustiche e lenti, dove le metasuperfici si sono adattate alla forma dei corpi scattering o riflettenti. Comparativamente, nel concetto proposto da Díaz-Rubio et al. invece metasuperfici conformi adattate alla distribuzione di potenza desiderata dei campi. Di conseguenza, il concetto può essere utilizzato per realizzare trasformazioni di campo complesse con alta efficienza come dimostrato sperimentalmente nello studio e resta da studiare nella pratica in futuro.
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