Un metamateriale è un materiale creato artificialmente con proprietà elettromagnetiche peculiari che lo differenziano dagli altri materiali. Le sue caratteristiche macroscopiche non dipendono solo dalla sua struttura molecolare, ma anche dalla sua geometria realizzativa. In altri termini, un metamateriale guadagna le sue proprietà dalla sua struttura piuttosto che direttamente dalla sua composizione chimica.
Descrizione
Per distinguere i metamateriali da altri materiali compositi, il termine metamateriale viene di solito usato per un materiale che ha proprietà insolite. Il termine fu coniato nel 1999 da Rodger M. Walser dell'Università del Texas ad Austin. Egli definì i metamateriali come: R.M. Walser, in: W.S. Weiglhofer and A. Lakhtakia (Eds.), Introduction to Complex Mediums for Electromagnetics and Optics, SPIE Press, Bellingham, WA, USA, 2003
Ricercatori sull'elettromagnetismo spesso usano il termine in modo abbastanza ristretto per materiali che rivelano una rifrazione negativa. W.E. Kock sviluppò i primi metamateriali nei tardi anni '40 con antenne a lente metallicaIRE Proc., 34 November 1946, pp. 828-836 e lenti a ritardo metallico. Bell. Sys. Tech. Jour., 27, January 1948, pp. 58-82
Alla Duke University Pratt School of Engineering e all'Imperial College di Londra è stato realizzato un metamateriale con indice di rifrazione negativo rispetto alle microonde con un array di piccole antenne risonanti metalliche di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda delle microonde. Il metallo utilizzato come materiale non ha la proprietà dell'indice di rifrazione negativo, ma la assume come metamateriale con quella particolare struttura geometrica.
Metamateriali elettromagnetici
I metamateriali sono di particolare importanza nell'elettromagnetismo (specialmente ottica e fotonica). Essi sono promettenti per le applicazioni ottiche e nel campo delle microonde come nuovi tipi di beam steerers, modulatori, filtri passa banda, lenti, accoppiatori di microonde, e radome di antenne.
Un metamateriale interessa le onde elettromagnetiche, avendo caratteristiche strutturali più piccole della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica con cui interagisce. Per esempio, se un metamateriale si trova a funzionare come materiale omogeneo fedelmente descritto da un effettivo indice di rifrazione, le sue caratteristiche devono essere più piccole della lunghezza d'onda. Per la luce visibile, la cui la lunghezza d'onda è tipicamente minore di un micrometro (560 nanometri per la luce del sole), le strutture sono generalmente la metà di questa dimensione o più piccole; per es., meno di 280 nanometri. Per la radiazione delle microonde, le strutture necessitano solo che siano sull'ordine di un decimetro. I metamateriali a frequenza delle microonde sono di solito artificiali, costruiti come schiere (arrays) di elementi elettricamente conduttivi (come doppino di filo metallico) che hanno caratteristiche induttive e capacitive idonee.
I metamateriali di solito sono composti da strutture periodiche, e di conseguenza hanno molte similarità con i cristalli fotonici e le superfici di frequenza selettive. Comunque, questi sono di solito considerati distinti dai metamateriali e le loro caratteristiche sono di dimensione simile alla lunghezza d'onda alla quale essi funzionano, e in questo modo non possono essere accostati a un materiale omogeneo.
Indice di rifrazione negativo
Il più grande potenziale dei metamateriali è la possibilità di creare una struttura con un indice di rifrazione negativo, poiché questa proprietà non viene trovata naturalmente in nessun materiale. Quasi tutti i materiali incontrati in ottica, come vetro o acqua, hanno valori positivi sia per la permittività che per la permeabilità magnetica . Ad ogni modo, molti metalli (come argento e oro) hanno negativo alle lunghezze d'onda visibili. Un materiale avente l'uno o l'altro (ma non entrambi) o negativo è opaco alla radiazione elettromagnetica.Vedi plasmone di superficie per maggiori dettagli.
Sebbene le proprietà ottiche di un materiale trasparente siano pienamente specificate dai parametri e , in pratica è spesso usato l'indice di rifrazione .
può essere determinato da . Tutti i materiali trasparenti conosciuti posseggono valori positivi per e . Per convenzione la radice quadrata positiva è usata per .
Ad ogni modo, alcuni metamateriali progettati hanno e ; perché il prodotto è positivo, è reale. In tali circostanze, è necessario prendere la radice quadrata negativa per . Il fisico Viktor Veselago provò che tali sostanze possano trasmettere luce.
Le precedenti considerazioni sono semplicistiche per i materiali attuali, i quali devono essere valutati nel complesso e . Le parti reali di e non devono essere negative per un materiale passivo che mostri rifrazione negativa. R.A. Depine and A. Lakhtakia, Una nuova condizione per identificare materiali isotropici dielettrici-magnetici mostranti velocità di fase negativa, Microwave and Optical Technology Letters, 41, pp. 315-316, 2004
I metamateriali con negativo hanno numerose proprietà sorprendenti: La Legge di Snell () riguarda ancora, ma con negativo, i raggi che saranno rifratti sullo stesso lato della normale penetrante il materiale. L'effetto Doppler è rovesciato: cioè, una sorgente di luce muovendo verso un osservatore sembra ridurre la sua frequenza. La radiazione di Cherenkov è invertita. Il vettore di Poynting di media durata è antiparallelo alla velocità di fase. Questo significa che al contrario di un materiale right-handed, i fronti d'onda si muovono in direzione opposta al flusso di energia.
Per le onde piane che si propagano in tali metamateriali, il campo elettrico, il campo magnetico e il vettore d'onda seguono la regola della mano sinistra di Fleming.
L'effetto di rifrazione negativo è analogo alla propagazione dell'onda in una linea di trasmissione left-handed, e tali strutture sono state usate per verificare alcuni degli effetti qui descritti.
Sviluppo e applicazioni Un'applicazione dei metamateriali potrebbe essere quella di manipolare le frequenze comprese tra i 300 GHz e i 10 THz. Queste frequenze non possono essere gestite dalle apparecchiature elettroniche convenzionali per via della frequenza eccessivamente elevata ma nel contempo hanno frequenze troppo basse per essere gestite dalle apparecchiature ottiche. Ricercatori del Los Alamos National Laboratory utilizzando dei metamateriali sono riusciti a manipolare segnali entro questo intervallo di frequenze.
Si pensa si possano utilizzare i metamateriali per l'occultamento di velivoli o navi ai radar e alla radiazione ottica. Secondo la rivista PhysicsWorld ci sarebbe un progetto della Britannia Royal Navy College di ottenere ciò in 10 anni. Si sfrutterebbe la rifrazione negativa dei metamateriali.
I primi metamateriali furono sviluppati da W.E. Kock nei tardi anni '40. Metal-Lens Antennas, IRE Proc., 34 November 1946, pp. 828-836, and Metallic Delay Lenses, Bell. Sys. Tech. Jour., 27, January 1948, pp. 58-82 Le uniche proprietà dei metamateriali furono verificati dall'analisi dell'onda piena (full-wave) da Caloz ed altri (2001). C. Caloz, C.-C. Chang, and T. Itoh, Verifica sull'onda piena delle proprietà fondamentali dei materiali left-handed nelle configurazioni della guida d'onda , J. Appl. Phys. 2001, 90, 11 Comunque, le strutture LH progettate dopo il 2002 furono prive di senso pratico per le applicazioni a microonde perché la loro larghezza di banda applicabile era troppo stretta e i loro coefficienti di trasmissione lenti. Eleftheriades ed altri (2002), e Caloz ed altri (2002) fornirono un metodo per realizzare metamateriali left-handed usando elementi ammucchiati artificiali caricati su linee di trasmissione nella tecnologia a microstrip.G.V. Eleftheriades, A.K. Iyer and P.C. Kremer, Planar Negative Refractive Index Media Using Periodically L-C Loaded Transmission Lines, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 50, no. 12, pp. 2702-2712 (2002)C. Caloz and T. Itoh, Application of the Transmission Line Theory of Left-handed (LH) Materials to the Realization of a Microstrip 'LH line', IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2, 412-415 (2002) (doi 10.1109/APS.2002.1016111).
Superlente Fu per prima postulato da John Pendry e colleghi in Physical Review Letters che un materiale rifrangente negativo sarebbe capace di essere una lente perfetta a causa delle sue due proprietà: Un'onda propagandosi in un mezzo rifrangente-negativo esibisce un avanzamento di fase invece che un ritardo di fase nei materiali convenzionali; Le onde evanescenti in un mezzo rifrangente-negativo incrementano in ampiezza appena si allontanano dalla loro origine.
Fu dimostrato, comunque, attraverso argomenti geometrici semplici che per permettere la proprietà anzidetta #1, il tempo negativo deve essere forzato. Inoltre, se la proprietà #2 è realmente possibile, questo condurrebbe alla creazione di energia infinita a infinite distanze. Entrambe le proprietà in questo modo sembrano produrre comportamenti non-causali come solidamente enfatizzato da Ben A. Munk. Munk, Ben A. "Metamaterials: Critique and Alternatives" (2009)
La prima superlente con indice di rifrazione negativo fornì una risoluzione tre volte migliore del limite di diffrazione e fu collaudata alle frequenze della microonda all'Università di Toronto da A. Grbic e G.V. Eleftheriades. A. Grbic and G.V. Eleftheriades, Overcoming the Diffraction Limit with a Planar Left-handed Transmission-line Lens, Physical Review Letters, 92, no. 11, pp. 117403 (19 March 2004) Successivamente, la prima superlente ottica (una lente ottica che eccede il limite di diffrazione) fu creata e collaudata nel 2005 da Xiang Zhang ed altri di UC Berkeley, come riportato quell'anno nell'edizione del 22 aprile di Science, ma la loro lente non fece assegnamento sulla rifrazione negativa. Invece essi usarono una sottile pellicola d'argento per aumentare i modi evanescenti attraverso l'accoppiamento del plasmone di superficie. Questa idea fu per prima suggerita da John Pendry nelle Physical Review Letters.
Zhang e i suoi colleghi ricercatori alla UC Berkeley annunciarono due sviluppi significativi nel 2008 riguardo alla ricerca sulla superlente. Metamaterials Bend Light to new Levels, Chemical & Engineering News, 86, 33 (18 Aug. 2008) p. 35 Nel primo caso, essi depositarono strati alternati di argento e fluoruro di magnesio su un substrato, in questo caso tagliando griglie in nanoscala dentro gli strati, che risultarono in una struttura composita con indice di rifrazione negativo nella luce vicina all'infrarosso, la prima struttura tridimensionale ad ottenere questo attributo nel campo ottico. Nature, DOI: 10.1038/nature07247 Nel secondo caso essi formarono un metamateriale dai nanowire di argento che furono elettrochimicamente depositati in ossido di alluminio poroso. Il materiale risultante mostrò rifrazione negativa sotto i 660 nm, così esso è il primo metamateriale di grande mole a possedere NI nel campo visibile dell'ottica. Science, 321, 930 (2008) All'inizio del 2007, un metamateriale con un indice di rifrazione negativo per le lunghezze d'onda della luce visibile fu annunciato da un gruppo congiunto di ricercatori all'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e all'Università di Karlsruhe in Germania. Il materiale ebbe un indice di -0.6 a 780 nanometri.
Dispositivi mascheranti
I metamateriali possono essere un punto di partenza possibile per costruire dispositivi mascheranti o dispositivi di occultamento (cloaking device). Un tale dispositivo coinvolge gli oggetti circostanti coprendoli (mascherandoli) con una conchiglia che simula nei suoi pressi il passaggio di luce.