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Un nuovo metamateriale per controllare le onde meccaniche

Nei metamateriali finora noti, il fenomeno della rifrazione negativa è simmetrico ovvero non distingue fra angoli d’incidenza positivi e negativi delle onde. Un gruppo di scienziati guidato da Alessandro Pitanti e Simone Zanotto dell’Istituto nanoscienze (Cnr-Nano) ha scoperto che è possibile rompere questa simmetria realizzando un metamateriale innovativo sollecitato meccanicamente con frequenze nel range dei GHz.

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, rappresenta un avanzamento nella capacità di manipolare le onde meccaniche ad alta frequenza, e può favorire l’evoluzione delle moderne tecnologie basate sulla nanomeccanica a GHz.

Metamateriali

I metamateriali sono materiali con una struttura artificiale, composta da micro-elementi di forme particolari, tale da conferire proprietà nuove e che non esistono nei materiali usuali. In particolare i metamateriali sono interessanti per controllare e manipolare le onde elettromagnetiche e le onde acustiche. I ricercatori di Cnr-Nano, in collaborazione con colleghi dell’Istituto officina dei materiali (Cnr-Iom) e del Paul Drude Institute, hanno ingegnerizzato un nuovo metamateriale cui avviene un fenomeno di rifrazione delle onde mai osservato prima, al quale è stato dato il nome di “rifrazione negativa asimmetrica”.

I Metamateriali e le onde elettromagnetiche

Quando entrano in metamateriali appositamente strutturati, le onde elettromagnetiche, acustiche e meccaniche subiscono un ‘deviazione’ particolare detta rifrazione negativa. I metamateriali conosciuti finora sono simmetrici, cioè non fanno distinzione fra angoli d’incidenza positivi e negativi. Nel nuovo materiale ingegnerizzato dai ricercatori questa simmetria viene  infranta, come spiega Simone Zanotto: “Quando un’onda incide obliquamente su un metamateriale, prosegue al suo interno deviata verso lo stesso lato da cui è arrivata. Questa è la rifrazione negativa. Il metamateriale che abbiamo sviluppato mostra un comportamento ancora più esotico: è in grado di deviare l’onda in maniera diversa a seconda del lato di provenienza. Le onde sono rifratte negativamente quando provengono da una parte e in maniera ordinaria quando provengono dall’altra”

Rifrazione negativa asimmetrica

I ricercatori hanno ottenuto la rifrazione negativa asimmetrica sfruttando una struttura piuttosto semplice del materiale, che è costituito da una successione di micro-cavità a forma di L incise su uno strato di arseniuro di gallio.

Il metamateriale è in grado di realizzare sia la rifrazione negativa, per onde provenienti da destra, sia quella ordinaria per onde provenienti da sinistra. I ricercatori hanno chiamato questa proprietà rifrazione negativa asimmetrica

Per realizzare il metamateriale si sono usate tecniche avanzate di nanofabbricazione nei laboratori Nest di Cnr-Nano e Scuola Normale a partire da materiali prodotti da Giorgio Biasiol presso Cnr-Iom. Il campione è poi stato testato con onde meccaniche dal gruppo di ricerca di Paulo Santos (Paul Drude Institute) che possiede una competenza riconosciuta a livello mondiale nelle misurazioni di meccanica ad alta frequenza dei sistemi allo stato solido. Grazie alle simulazioni a elementi finiti condotte da Alessandro Pitanti è stato possibile interpretare i risultati e il comportamento asimmetrico di rifrazione.

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Frequenze elevate

La scelta operare a frequenze elevate con onde dell’ordine dei GHz è una ulteriore novità, oltre che una notevole sfida tecnica. “E’ un range ancora poco esplorato, ma di assoluto interesse e rilevanza in settori come le tecnologie 4G e 5G come anche per gli emergenti sistemi di comunicazione quantistica” spiega Zanotto. “Per il futuro è prevedibile anche l’uso di risonatori meccanici ad alta frequenza per l’implementazione di sensori termomeccanici per raggi infrarossi”.

“Il risultato è un passo importante verso il controllo completo delle onde meccaniche, in quanto consente di distinguere, per esempio, le onde che arrivano da sinistra da quelle che arrivano da destra” “Più in generale, questo risultato  può essere utilizzata anche per onde meccaniche a bassa frequenza”, prosegue Simone Zanotto, “In linea di principio, con un semplice ‘rescaling’ del metamateriale può trovare applicazione, ad esempio, persino nella deviazione di onde sismiche allo scopo di proteggere gli edifici”. “Un altro orizzonte è quello di incorporare emettitori/sensori quantistici– su questo piano, i nostri sistemi potrebbero giocare un ruolo importante nelle future piattaforme per la computazione e comunicazione quantistici.

Fonte cnr.it

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