Il settore dei “metamateriali” e delle “metasuperfici” ha conosciuto un sviluppo straordinario negli ultimi anni, grazie alla possibilità di generare interazioni luce-materia assenti in natura, come ad esempio nei mantelli di invisibilità e nelle lenti piatte.
Uno studio recente di ricercatori dell’Università del Sannio e della Southeast University (Nanjing, Cina) ha proposto l’idea di metasuperfici digitali a codifica spazio-temporale, che promette nuovi importanti sviluppi nelle comunicazioni wireless, nei radar e nei sistemi di imaging.
Lo studio, pubblicato nella rivista Nature Communications, è stato guidato da Vincenzo Galdi, professore associato del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del Sannio, e da Tie Jun Cui, professore allo State Key Laboratory of Millimeter Waves e al Synergetic Innovation Center of Wireless Communication Technology della Southeast University.
Il gruppo di ricerca comprende Giuseppe Castaldi, professore associato all’Università del Sannio, e Lei Zhang, Xiao Qing Chen, Shuo Liu, Qian Zhang, Jie Zhao, Jun Yan Dai, Guo Dong Bai, Xiang Wan e Qiang Cheng della Southeast University.
“Metamateriali e metasuperfici convenzionali sono tipicamente realizzati variando gradualmente le proprietà di piccole inclusioni in mezzi ospiti – spiega Cui -. Nel 2014, il nostro gruppo è stato tra i primi a proporre l’idea dei metamateriali a ‘codifica digitale’, basati su un numero limitato di tipologie di inclusioni (ad esempio, solo due). Oltre a semplificare notevolmente la progettazione, questo concetto ha gettato un ponte tra il mondo fisico e quello digitale, rendendo possibile l’interpretazione dei metamateriali dalla prospettiva della scienza dell’informazione. Inoltre, la descrizione dei metamateriali in termini di una ‘codifica’ si presta naturalmente all’integrazione con elementi attivi, quali diodi e sistemi micro-elettromeccanici, che possono essere controllati da un circuito integrato in modo da ‘programmare’ determinate funzionalità, in maniera analoga ai software che controllano i nostri smartphone e computer.”
“Finora, il concetto di ‘codifica’ è stato applicato solo alle dimensioni spaziali. Nel caso più semplice, è possibile immaginare una metasuperficie codificata come un’immagine pixellata, in cui ogni pixel rappresenta un tipo di inclusione ed è associato a un bit ‘1’ o ‘0’. Invece, la dimensione temporale non è mai stata considerata – aggiunge Galdi -. Nel nostro studio, abbiamo mostrato che lo stesso hardware utilizzato per programmare una metasuperficie può anche essere utilizzato per commutare i bit ‘1/0’ molto velocemente nel tempo, e questo meccanismo di codifica temporale abilita una serie di nuove funzionalità molto interessanti. Inoltre, lo stesso meccanismo può anche essere sfruttato per realizzare una codifica spaziale convenzionale, ma con una complessità hardware notevolmente ridotta”.
Tra gli esempi di applicazioni rappresentative, i ricercatori hanno mostrato che la codifica spazio-temporale può essere ottimizzata in modo tale da disperdere un’onda incidente da una direzione in tutte le possibili direzioni e su un ampio spettro frequenziale. Tale risposta potrebbe trovare utili applicazioni nella riduzione e nel controllo delle firme radar e in schemi innovativi di computational-imaging che sono attualmente allo studio per i body scanner negli aeroporti.
Inoltre, lo studio ha dimostrato la possibilità re-irradiare specifiche frequenze lungo direzioni assegnate, in maniera precisa e controllabile. Quest’ultimo effetto potrebbe essere applicato in sistemi di comunicazione multiple-input-multiple-output ad alta capacità. In aggiunta alla validazione della teoria mediante simulazioni al computer, i ricercatori hanno anche fabbricato e caratterizzato un prototipo a microonde operante alla frequenza di 10 GHz, che ha confermato le predizioni teoriche.
“Immaginiamo i metamateriali del futuro in grado di integrare diverse funzionalità complesse (ad esempio, comunicazioni, radar, imaging) definite mediante software, e di implementare capacità di reazione all’ambiente e finanche ‘cognitive’ – concludono i ricercatori Cui e Galdi -. Riteniamo che la codifica spazio-temporale possa giocare un ruolo chiave nell’evoluzione verso queste architetture.”
Didascalia immagine allegata:
Schema di principio di una metasuperficie digitale a codifica spazio-temporale. La risposta elettromagnetica di ciascuna inclusione (quadratini gialli) può essere commutata da un diodo tra due stati possibili, associati a bit 0/1. La commutazione è controllata in spazio e tempo da un circuito integrato (ad esempio, field-programmable gate array, FPGA) sulla base di una determinata codifica (rappresentata dalla matrice 3-D di punti rossi e verdi) che può essere progettata e ottimizzata per eseguire una funzionalità assegnata. Ad esempio, per una data onda incidente, la meta superficie può re-irradiare una serie di onde a frequenze e direzioni diverse, in maniera controllabile.
