Una metasuperficie elettromagnetica è un tipo di materiale bidimensionale ingegnerizzato artificialmente per manipolare il comportamento delle onde elettromagnetiche attraverso una serie di elementi le cui dimensioni sono molto più piccole della lunghezza d'onda. A differenza dei metamateriali massivi, che possono esibire proprietà peculiari come conseguenza di una strutturazione tridimensionale, le metasuperfici possono manipolare le onde a un'interfaccia semplicemente imponendo dei bruschi cambiamenti nell'ampiezza, nella fase o nella polarizzazione. La loro forma sottile e planare consente loro di svolgere funzioni che tradizionalmente richiedono componenti ottici ingombranti, come lenti o polarizzatori, all'interno di un singolo strato ultrasottile.
Le metasuperfici sono tipicamente costituite da disposizioni periodiche o aperiodiche di elementi risonanti, come antenne metalliche, diffusori dielettrici o film strutturati, che interagiscono con le onde incidenti. A seconda della progettazione, possono funzionare in modalità riflettente, trasmissiva o assorbente, consentendo applicazioni nella deflessione del fascio, nella modellazione del fronte d'onda, nell'olografia e nel controllo della dispersione. I progetti più avanzati integrano materiali sintonizzabili (ad esempio, cristalli liquidi, grafene o composti a cambiamento di fase), creando superfici intelligenti riconfigurabili che consentono il controllo dinamico e programmabile dei modelli di diffusione e radiazione.
Storicamente, le metasuperfici si basano sui primi studi sulla diffrazione anomala nei reticoli metallici ( anomalia di Wood, 1902) e sul successivo sviluppo dei polaritoni plasmonici di superficie. Il settore si è notevolmente ampliato all'inizio degli anni 2000 con l'avvento delle nanostrutture plasmoniche e negli anni 2010 con la dimostrazione dell'"ottica piana" e degli ologrammi planari. Da allora, sono state sviluppate metasuperfici per un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dalle radiofrequenze (RF) e microonde alla luce visibile, consentendo la ricerca nella tecnologia stealth, nelle comunicazioni, nell'imaging e nel biosensing.
Le metasuperfici sono ampiamente studiate come piattaforma versatile per l'ingegneria elettromagnetica e ottica. Servono sia come strumenti per esplorare le leggi generalizzate della riflessione e della rifrazione, sia come tecnologie abilitanti per sistemi ottici compatti, riduzione della sezione radar equivalente, fotonica integrata e bioimaging. Il loro rapido sviluppo li ha resi un argomento significativo nella nanofotonica contemporanea, nella ricerca sulle antenne e nella scienza dei materiali.
Definizione e categorizzazione Una metasuperficie è genericamente definita come un arrangiamento bidimensionale, artificialmente strutturato, di elementi che controllano, in maniera collettiva, le proprietà delle onde elettromagnetiche ad un'interfaccia. Dato che il loro spessore è trascurabile rispetto alla lunghezza d'onda di funzionamento, le metasuperfici possono essere considerate come discontinuità che impongono delle variazioni brusche nell'ampiezza, nella fase, o nella polarizzazione delle onde incidenti.
Sebbene in molti mettano in evidenza diversi aspetti, come matrici di nanoantenne, elementi di diffusione periodici, o film ultrasottili con proprietà insolite di assorbimento, il concetto di base è che le metasuperfici prendano le loro capacità da strutture bidimensionali ingegnerizzate e non dalla composizione del materiale di cui sono fatte.
Le metasuperfici possono essere classificate in diversi modi, complementari tra loro, a seconda del tipo di interazione, della funzionalità, o del meccanismo di implementazione. Queste categorie si sovrappongo molto spesso: un dispositivo potrebbe essere sia riflessivo che riconfigurabile, o essere utile, allo stesso tempo, per applicazioni di deflessione del fascio e conversione della polarizzazione.
Per interazione
In riflessione (Antenne Reflectarray) - cambiano la forma delle onde incidenti in riflessione, usando tipicamente un piano metallico. In tranmissione (Antenne Transmitarray) – modificano le onde man mano che si propagano, funzionando come lente ultrasottili. In assorbimento (Metamateriale assorbente) - rimuove sia la riflessione che la trasmissione così da ottenere un assorbimento quasi perfetto.
Per funzionalità
Deflessione e focalizzazione del fascio - redirige e concentra l'energia tramite un controllo a gradiente di fase. Manipolazione del fronte d'onda e olografia - generazione di fasci strutturati (ologrammi, vortex beams) usando la manipolazione di ampiezza e fase. Controllo in dispersione – progettazione della risposta in frequenza o nel tempo per filtraggio o correzione cromatica. Conversione di polarizzazione - conversione tra stati di polarizzazione lineari e circolari, spesso tramite fase geometrica (Pancharatnam-Berry).
Per meccanismo
Metasuperfici passive, le quali si basano su una geometria fissa per ottenere una risposta statica (ad esempio, olografica o leaky-wave) Metasuperfici riconfigurabili (anche note come metasuperfici programmabili) - incorporano componenti sintonizzabili come sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS), cristalli liquidi, o grafene, per consentire il controllo dinamico dei pattern di diffusione e radiazione.
Storia La ricerca sulle metasuperfici ha una lunga storia. Agli inizi del 1902, Robert W. Wood scoprì che gli spettri di riflessione dei reticoli metallici sub-lunghezza d'onda avevano dei minimi di riflessione. Questo fenomeno insolito fu definito come anomalia di Wood e portò alla scoperta del polaritone plasmonico di superficie (SPP), un tipo particolare di onda elettromagnetica eccitata all'interfaccia tra un metallo e un dielettrico. Successivamente, un altro fenomeno importante, la relazione Levi-Civita, fu introdotta, la quale afferma che un film di spessore sub-lunghezza d'onda può causare una variazione notevole nelle condizioni al contorno elettromagnetiche.
In maniera generale, le metasuperfici potrebbero includere alcuni concetti tradizionali dello spettro delle microonde, come ad esempio le cosiddette superfici selettive in frequenza (FSS) fogli di impedenza, e anche fogli ohmici. Nella regione delle microonde, lo spessore può essere molto più piccolo della lunghezza d'onda di funzionamento (ad esempio, 1000 volte) visto che la profondità di penetrazione potrebbe essere minima per metalli a conducibilità elevata. Di recente, sono state pubblicate dimostrazioni di nuovi fenomeni, come ad esempio l'assorbimento coerente perfetto a banda molto larga. I risultati mostrano che un film spesso potrebbe assorbire tutte le componenti comprese tra le RF, le microonde, e le frequenze terahertz.
Nelle applicazioni ottiche, uno strato di rivestimento antiriflesso potrebbe essere considerato come una metasuperficie semplice, come inizialmente osservato da Lord Rayleigh.
Negli ultimi anni, sono state sviluppate molte altre metasuperfici, tra le quali annoveriamo le metasuperfici plasmoniche, le metasuperfici basate sulla fase geometrica, quelle basate su fogli dimpedenza, e infine quelle a simmetria di scorrimento.
Applicazioni Una delle applicazioni più importanti delle metasuperfici è la manipolazione del fronte d'onda di onde elettromagnetiche tramite l'imposizione di variazioni di fase, locali e graduali, alle onde incidenti, la quale porta alla generalizzazione delle antiche leggi di riflessione e rifrazione. In tal modo, una metasuperficie può essere usata come una lente planare, come una lente d'illuminazione, un ologramma planare, un generatore di fasci a vortice, un deflettore di fasccio, un axicon e così via.
Oltre alle lenti basate su metasuperfici a gradiente, le superlenti offrono un altro grado di controllo del fronte d'onda usando le onde evanescenti. Tramite i plasmoni di superficie negli strati metallici, sarebbe possibile ottenere un imaging perfetto e tecniche di litografia a risoluzione molto elevata. Ciò violerebbe l'assunzione comune che i sistemi di lenti ottiche siano limitati dalla diffrazione, un fenomeno noto come limite di diffrazione .
Una lente convergente basata su metasuperfici interamente dielettriche, funzionante nel vicino infrarosso, è stata dimostrata dal gruppo del Prof. Shalaev, in collaborazione col gruppo di Raytheon . Questa lente è attualmente utilizzata nei prodotti per sistemi di difesa di Raytheon.
Un'altra applicazione molto promettende è nel campo della tecnologia stealth. La sezione radar equivalente (SRC) di un obiettivo è stata convenzionalmente ridotta tramite materiali per l'assorbimento di radiazione (MAR) o tramite una specifica conformazione dell'oggetto così che tutta l'energia diffusa possa essere deviata lontano dalla sorgente. Purtroppo, i MAR esibiscono una funzionalità a banda stretta, e la conformazione specifica limita la prestazione aerodinamica dell'obiettivo. Sono state così sintetizzate delle metasuperfici per la deviazione dell'energia diffusa tramite la teoria degli array o tramite la legge generalizzata di Snell. Ciò ha portato a delle forme migliori dal punto di visto aerodinamico per gli obiettivi on ridotto RCS.
Le metasuperfici possono anche essere combinate con guide d'onda ottiche per il controllo delle onde elettromagnetiche guidate. Così facendo, è possibile abilitare diverse applicazioni per meta-guide, così come convertitori integrati, generazione di luce strutturata, multiplexer versatili, e reti neurali fotoniche.
Inoltre, delle metasuperfici sono state usate anche per applicazioni come assorbitori elettromagnetici, convertitori di polarizzazione, polarimetri, e filtri spettrali. Dei nuovi dispositivi, coadiuvati dalle metasuperfici, sono stati recentemente sviluppati per applicazioni di bioimaging e biosensing. Per molti dispositivi ottici di bioimaging, la loro grande dimensione e peso hanno severamente limitato il loro uso in contesti clinici.
Simulazione e intelligenza artificiale Vi sono una varietà di metodi disponibili per la simulazione dell'interazione di onde elettromagnetiche con le metasuperfici, così come per la loro progettazione. Tra questi annoveriamo il metodo delle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD), il metodo ad elementi finiti (FEM), e l'analisi rigorosa ad onde accoppiate (RCWA).
Per le metasuperfici planari ottiche, vi sono degli algoritmi (chiamati a base di prismi) che permettono per la discretizzazione spaziale tramite prismi triangolari, il che è ottimale per geometrie planari. Tale algoritmo presenta meno elementi rispetto ai metodi tetraedrici convenzionali, così da avere un'efficienza di calcolo più elevata. Uno strumento di simulazione è stato recentemente rilasciato, il quale consente agli utenti di analizzare le metasuperfici in maniera efficiente e con diverse forme dei pixel.
I metodi tradizionali di simulazione sono sempre stati efficaci per la modellazione delle metasuperfici, dando delle informazioni importanti così come dei risultati affidabili. Ad ogni modo, i progressi avuti di recente nel campo dell'intelligenza artificiale (IA) hanno rivoluzionato il campo, offrendo delle capacità notevolmente migliori. Tali tecniche non sono soltanto più veloci ma anche più accurate, così che ricercatori e ingegneri possano eseguire delle simulazioni complesse con migliore precisione ed efficienza. Questi algoritmi possono analizzare insiemi di dati enormi, identificare pattern molto complicati, e dare delle previsioni che sarebbero molto costose (dal punto di vista del calcolo) e infattibili con i metodi convenzionali. Di conseguenza, l'integrazione dell'IA negli strumenti di simulazione ha permesso un percorso più rapido per la prototipazione, l'ottimizzazione, e l'analisi in tempo reale di varie applicazioni, come ad esempio la progettazione di antenne, sistemi radar, e prove di compatibilità elettromagnetica.
Caratterizzazione ottica