Geometria

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3568 (2022) Citare questo articolo

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È noto che la radiazione elettromagnetica proveniente da elementi radianti (ad esempio antenne, aperture, ecc.) mostra una dipendenza dalla forma geometrica dell'elemento in termini di frequenze operative. Questo principio di base è onnipresente nella progettazione di radiatori in molteplici applicazioni che vanno dalle microonde, all'ottica e alla plasmonica. L’emergere di mezzi epsilon vicini allo zero consente eccezionalmente una lunghezza d’onda infinita di onde elettromagnetiche, manifestando dinamiche ondulatorie spazialmente statiche esotiche che non dipendono dalla geometria. In questo lavoro, analizziamo teoricamente e verifichiamo sperimentalmente tali caratteristiche indipendenti dalla geometria per la radiazione, presentando così una nuova classe di risonatori radianti, cioè antenne, con una frequenza operativa irrilevante per la forma geometrica ma determinata solo dalle dispersioni del materiale ospite. Nonostante sia tradotta in forme e topologie diverse, l’antenna epsilon-near-zero progettata risuona alla stessa frequenza, pur mostrando schemi di radiazione in campo lontano molto diversi, con fasci che variano da larghi a stretti, o anche da singoli a multipli. Inoltre, la tecnica del drogaggio fotonico viene impiegata per facilitare la radiazione ad alta efficienza. La radiazione indipendente dalla geometria determinata dal materiale può portare a numerose applicazioni nella progettazione e produzione flessibile per comunicazioni wireless, rilevamento e ingegneria del fronte d'onda.

La radiazione dei campi elettromagnetici è stata un argomento fondamentale in fisica e ingegneria per molti decenni e ha portato ad applicazioni essenziali in una varietà di campi come le comunicazioni wireless1, il telerilevamento2,3, la trasmissione di energia wireless4,5, solo per citarne alcuni. Un risonatore con accoppiamento allo spazio libero (come una cavità aperta) può disperdere il campo confinato in risonanza con l'onda di radiazione all'esterno. Tale processo è un fenomeno in cui la caratteristica geometrica (cioè dimensione e forma) determina la caratteristica della frequenza. Questa dipendenza può essere compresa in modo equivalente dal punto di vista dei modi propri del risonatore radiante, dove la frequenza di risonanza è solitamente determinata dalla sua dimensione e geometria6. Un esempio noto è l'antenna a dipolo7,8,9, ampiamente adottata nelle microonde e nella nanoottica, la cui frequenza operativa è direttamente correlata alla lunghezza dei suoi bracci. La cavità di Fabry-Perot10,11, come un altro caso familiare, risuona e genera laser solo se la sua lunghezza è un multiplo intero della metà della lunghezza d'onda del mezzo.

Poiché tale "dipendenza dalla geometria" è pervasiva nei fenomeni di radiazione, i risonatori a cavità radiante con frequenza operativa indipendente dalla geometria, se esistessero, rappresenterebbero una classe di radiatori qualitativamente diversa. Ciò introdurrebbe preziosi gradi di libertà per personalizzare il modello di radiazione in campo lontano di un risonatore controllandone la geometria o la distribuzione spaziale delle aperture radianti, mantenendo invariata la frequenza operativa (di risonanza). Ciò è contrario alla nostra consueta intuizione in dinamica ondulatoria, dove la distribuzione spaziale del modo elettromagnetico di un risonatore è descritta dalla lunghezza d'onda λ nel mezzo, che a sua volta è legata alla frequenza di oscillazione f dei campi elettromagnetici dal vincolo fondamentale fλ = c/n dove n è l'indice di rifrazione del mezzo che riempie quel risonatore. Per superare il limite della dimensione minima di una cavità risonante pari a metà della lunghezza d'onda, i ricercatori hanno proposto una cavità ottica basata su metamateriali iperbolici e ottenere una risonanza indipendente dalle dimensioni in una geometria miniaturizzata12. A causa delle sue piccole dimensioni e dei grandi numeri d'onda nei metamateriali iperbolici, la cavità non funziona naturalmente come un radiatore efficiente. Pertanto, realizzare un tale radiatore indipendente dalla geometria è ancora impegnativo.