Metamateriali

La luce che noi vediamo con gli occhi è solo una piccola parte delle frequenze su uno spettro molto più grande detto Spettro Elettromagnetico. Diverse frequenze di luce interagiscono con la materia in modi molto diversi a seconda della struttura atomica del materiale e delle sue proprietà elettromagnetiche. Per esempio il Vetro per noi è chiaro perchè permette alla luce nella frequenza visibile di passare attraverso di esso, ma muoviamoci poco sopra lo spettro verso l'Ultravioletto e il vetro non è più "visibile attraverso".

I Raggi-X sono altro esempio. Nella frequenza dei raggi-x i nostri corpi sono chiari, quasi come il vetro, mentre le ossa non sono chiare perchè hanno una struttura diversa rispetto alla pelle e agli organi. Quando la luce interagisce con la materia, possono accadere alcune cose diverse:
Potete avere riflessione: dove la luce rimbalza completamente.
Potete avere rifrazione, dove la luce entra nel materiale e lo attraversa.
Oppure potete avere una combinazione delle due, dove il raggio si divide in due.

Potete avere anche assorbimento, dove l'energia dalla particella di luce (o Fotone) viene assorbita e convertita in un'altra forma di energia. Questo è ciò che accade nell'effetto foto-elettrico, su cui Einstein pubblicò il suo primo studio. Nell'effetto fotoelettrico l'energia di un fotone viene trasferita in un elettrone nella forma di energia cinetica. Praticamente il fotone arriva e colpisce l'elettrone. Questi elettroni che saltano possono quindi essere controllati per produrre elettricità.

Questo è il principio alla base della cellula fotovoltaica, così i pannelli solari convertono la luce solare in elettricità. Abbiamo milioni di onde elettromagnetiche che passano attraverso i nostri corpi ogni momento. La maggioranza ci passa attraverso senza interazione, ma alcune onde più energetiche possono causare e causano interferenza con i nostri corpi e a volte in modo dannoso. Ora che vi ho dato le basi sulle onde elettromagnetiche e la loro interazione con la materia siamo pronti per parlare su come rendere le cose invisibili..

Come rendere invisibili le cose

Scienziati e ricercatori hanno fatto molte scoperte importanti nel campo dei metamateriali, hanno trovato modi per piegare la luce in modo che passi attorno ad un oggetto come se non ci fosse. Ora la caccia è diretta nella scoperta di un Metamateriale che faccia questo per lo spettro di frequenza visibile, in modo che la luce visibili passi attorno ad un oggetto facendo sembrare che non si trovi lì.

Un metamateriale è un materiale che guadagna le sue proprietà dalla sua struttura piuttosto che direttamente dalla sua composizione. Come quando potete vedere attraverso uno schermo per i fori in esso. Se vi avvicinate allo schermo potete vedere che è fatto di qualcosa, ma da lontano potete vederci attraverso. La principale ragione per cui i ricercatori studiano i metamateriali, è la possibilità di creare una struttura con un indice di rifrazione negativo, dato che questa proprietà non si trova in nessun materiale naturale.


Quasi tutti i materiali che si incontrano in ottica, come vetro o acqua, hanno valori positivi sia per la permittività che per la permeabilità µ. Comunque, molti metalli (come argento o oro) hanno negativo e nelle lunghezze d'onda negative. Un materiale con e o µ negativi (ma non entrambi) è opaco alla radiazione elettromagnetica. Questo è dovuto all'interazione dei plasmoni di superficie. Perchè la sua struttura influenzi le onde elettromagnetiche, un metamateriale deve avere caratteristiche di struttura più piccole della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica con cui interagisce. Per esempio, se un metamateriale deve comportarsi come materiale omogeneo accuratamente descritto da un indice di rifrazione efficace, le dimensioni della caratteristica deve essere molto più piccola della lunghezza d'onda.

Per la luce visibile, che ha lunghezze d'onda inferiori a un micrometro tipicamente (560 nanometri per la luce solare), le strutture generalmente hanno una dimensione della metà di questa o anche meno, ad es. meno di 280 nanometri. Per la radiazione in microonde, le strutture devono essere nell'ordine di un decimetro. I metamateriali per la frequenza delle microonde sono quasi sempre artificiali, costruiti come gruppi di elementi conduttivi (come avvolgimenti di filo) che hanno caratteristiche induttive e capacitive adatte.

I metamateriali solitamente consistono in strutture periodiche e quindi hanno molte similarità con i cristalli fotonici e le superfici selettive in frequenza. Comunque, queste sono solitamente considerate come distinte dai metamateriali in quanto le loro caratteristiche hanno dimensioni simili alla lunghezza d'onda in cui funzionano e quindi non possono essere approssimate ad un materiale omogeneo.

Materiali left-handed (LH) sono stati inizialmente introdotti teoricamente da Victor Veselago nel 1967.
J.B.Pendry è stato il primo a teorizzare un modo pratico per creare un metamateriale left-handed (LHM). "Left-handed" in questo contesto significa un materiale in cui non vale la "regola della mano destra", permettendo ad un'onda elettromagnetica di portare energia nella direzione opposta alla sua velocità di fase. L'idea iniziale di Pendry fu che fili metallici allineati lungo la direzione di propagazione potessero fornire un metamateriale di permittività negativa (e<0). Notate comunque che si conoscevano già materiali naturali (come i ferroelettrici) con permittività negativa: la sfida era costruire un materiale che mostrasse anche permeabilità negativa (µ<0).

Nel 1999, Pendry dimostrò che un anello aperto (forma "C") con un asse lungo la direzione di propagazione poteva fornire una permeabilità negativa. Nello stesso lavoro, mostrò che un gruppo periodico di fili e anelli poteva portare a un indice di rifrazione negativo. Una relativa particella con permeabilità negativa, proposta anche dal Professor Pendry, è il rotolo Svizzero.

L'analogia è la seguente: i materiali naturali sono fatti di atomi, che sono dipolari. Questi dipoli modificano la velocità della luce per un fattore n (indice di rifrazione). Le unità di anello e filo fungono da dipoli atomici: il filo agisce come atomo ferroelettrico, mentre l'anello agisce come induttore L e la sezione aperta come capacitore C
L'anello come intero quindi agisce come circuito LC. Quando il campo elettromagnetico passa attraverso l'anello, viene creata una corrente indotta e il campo generato è perpendicolare al campo magnetico della luce. La risonanza magnetica risulta in una permeabilità negativa; anche l'indice è negativo.

Tratto da Altrogiornale (http://www.altrogiornale.org/news.php?extend.6236)