Nel campo della scienza dei materiali, i metamateriali elettromagnetici (EM) sono emersi come una classe rivoluzionaria di compositi ingegnerizzati in grado di manipolare le onde elettromagnetiche in modi mai possibili prima. A differenza delle loro controparti presenti in natura, i metamateriali EM traggono le loro straordinarie proprietà dalle loro disposizioni strutturali uniche, che consentono loro di mostrare caratteristiche elettromagnetiche irraggiungibili nei materiali convenzionali.
Una delle caratteristiche più affascinanti dei metamateriali EM risiede nel regno dei metamateriali a indice zero (ZIM). Gli ZIM possiedono la straordinaria capacità di ottenere una distribuzione uniforme del campo elettromagnetico su una forma arbitraria (Figura 1a). Questa proprietà unica apre molte potenziali applicazioni, dai dispositivi di occultamento ultracompatti alle guide d'onda e lenti di forma arbitraria e ai laser a emissione superficiale di cristalli fotonici (Figura 1b).
Nonostante il loro immenso potenziale, gli ZIM hanno dovuto affrontare un ostacolo significativo nella loro implementazione pratica. L'omogeneità degli ZIM è spesso limitata dal numero di celle unitarie per lunghezza d'onda dello spazio libero. Questa limitazione deriva dalla proprietà di bassa permettività dei materiali utilizzati per costruire ZIM. Di conseguenza, gli ZIM spesso richiedono un ampio spazio fisico per raggiungere le loro effettive proprietà elettromagnetiche (Figura 2b).
I ricercatori hanno superato questa sfida di lunga data in uno studio pubblicato su eLight sviluppando uno ZIM altamente omogeneo utilizzando una nuova combinazione di materiali ad alta permittività.
Come mostrato nella Figura 3a, impiegando SrTiO3 pilastri in ceramica inglobati in un BaTiO3 matrice di fondo, hanno fabbricato con successo uno ZIM con un aumento di oltre tre volte del livello di omogeneizzazione (figure 2b e 2e), riducendone significativamente le dimensioni fisiche.
Basandosi sulla distribuzione uniforme della fase del campo elettromagnetico in tutto lo ZIM, i ricercatori hanno dimostrato un'antenna ad alta direttività. Incorporando ZIM in una guida d'onda metallica (Figura 4a), questa antenna si è avvicinata alla limitazione fondamentale della direttività nell'antenna poiché la dimensione dell'apertura varia dal regime di lunghezza d'onda secondaria a una scala molto ampia (Figura 4c).
Questa svolta apre la strada a una nuova era di dispositivi basati su ZIM, offrendo prestazioni e compattezza senza precedenti. I risultati ottenuti dai ricercatori hanno profonde implicazioni per un'ampia gamma di campi, tra cui le comunicazioni wireless, il telerilevamento e i sistemi di posizionamento globale. Inoltre, il loro lavoro apre nuove possibilità per la ricerca fondamentale nelle guide d'onda ultracompatte, nei dispositivi di occultamento e nel calcolo quantistico superconduttore.
Ulteriori informazioni: Yueyang Liu et al, Le ceramiche ad alta permittività hanno consentito metamateriali a indice zero altamente omogenei per antenne ad alta direttività e oltre, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x
Informazioni sul giornale: eLight
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