Progetto di metamateriali per applicazioni alle telecomunicazioni

Abstract

Nel presente lavoro sono descritti i risultati ottenuti nel corso del triennio della scuola dottorale relativamente al progetto di Metamateriali per applicazioni alle telecomunicazioni. Vengono inizialmente approfondite le tematiche relative alla caratterizzazione di tali mezzi complessi e le problematiche relative al progetto di strutture fisicamente realizzabili su di essi basate. Poiché un Metamateriale non è altro che un mezzo realizzato tramite inclusioni dielettriche o metalliche inserite in un mezzo ospite, quando si passa da una rappresentazione in termini di uno strato ideale lineare isotropo ed omogeneo al suo modello reale devono essere tenute in seria considerazione le caratteristiche elettriche dei mezzi conduttori e dielettrici coinvolti nel progetto, l’anisotropia delle inclusioni, la possibilità di poter omogeneizzare la struttura per poterne fornire una descrizione in termini di parametri macroscopici e l’effettiva capacità della struttura reale di supportare fenomeni di interfaccia, caratteristica invece strettamente legata al comportamento microscopico del Metamateriale. Questi ultimi due aspetti sono in realtà quelli che presentano le maggiori criticità essendo generalmente tali inclusioni più piccole della lunghezza d’onda di interesse ma non molto più piccole (tipicamente nell’ordine di un decimo della lunghezza d’onda). Viene poi fornito un equivalente a linee di trasmissione per uno strato lineare isotropo ed omogeneo di un Metamateriale al fine di poter definire, in termini di valori limite della permeabilità magnetica e della permittività elettrica, le caratteristiche di un mezzo ideale che possa emulare il comportamento una parete magnetica perfetta. Se ne suggeriscono due possibili implementazioni alle microonde, tramite l’uso di Split-Ring Resonators (SRR), ed alle frequenze ottiche tramite multistrati metallo-dielettrici realizzati tramite un’alternanza di argento e silice. Sono poi approfondite le problematiche relative al fenomeno della trasmissione straordinaria e vengono proposte una serie di metodologie basate sull’eccitazione di risonanze magnetiche localizzate al fine di incrementare la potenza trasmessa da una apertura elettricamente piccola. Vengono proposti degli approcci alle microonde basati sull’impiego di SRR e di inclusioni Omega, ed alle frequenze ottiche, basati invece sull’uso di nano-particelle realizzate con metalli nobili. L’utilizzo di strutture diverse nei due casi, in termini di geometrie e materiali, è dettata dalla saturazione della risposta elettromagnetica delle inclusioni metalliche tipicamente usate alle microonde. In particolare, un aspetto significativo dei dispositivi presentati, avente come fine quello di aumentarne gli ambiti applicativi, è l’elevata miniaturizzazione di questi stessi. Viene poi suggerita, alle frequenze ottiche, la possibilità di sintetizzare in campo vicino una distribuzione di campo arbitraria, avente dettagli più piccoli della lunghezza d’onda, come diretta applicazione della teoria dei nano-circuiti ottici, mediante celle dielettriche che realizzano opportuni valori campionati di impedenza superficiale di un apposito schermo focalizzatore. Sono poi esplorate le possibili alternative, in alcuni ambiti applicativi, all’uso di Metamateriali, e vengono individuate a tal fine le superfici selettive in frequenza come validi candidati. Viene suggerita, a titolo di esempio, una possibile applicazione dell’uso di tali superfici al fenomeno della trasmissione straordinaria. I limiti e le effettive potenzialità dei Metamateriali sono infine analizzate.