RICERCA ITALIANA     

Studio e realizzazione di metamateriali per applicazioni all'elettronica ed alle telecomunicazioni

Università degli Studi Roma Tre

Abstract

Il programma di ricerca integra le competenze, le risorse e le attrezzature di cinque sedi universitarie allo scopo di concepire, progettare e realizzare sperimentalmente componenti a microonde di tipo innovativo caricati con diversi tipi di metamateriali. Questi ultimi presentano proprietà anomale non riscontrabili in natura e sono sede di fenomeni impensabili da ottenere tramite l'utilizzo di materiali tradizionali. Il ritrovato di questi recenti studi apre prospettive rivoluzionarie per il prossimo futuro dell'industria elettronica e delle telecomunicazioni con l'avvento di componenti miniaturizzati, dispositivi radianti multifunzione e ad elevata direttività, sistemi di imaging ad altissima risoluzione, cavità monomodali ad alto fattore di merito, filtri ultracompatti, interruttori ultraveloci, linee di ritardo, microlaser a bassa potenza, sistemi per la computazione ottica ultraveloce, etc.
Il presente programma di ricerca si incentra, in particolare, sulle applicazioni alle frequenze delle microonde di diverse classi di metamateriali, quali i materiali ad indice di rifrazione negativo (Double NeGative - DNG), i materiali caratterizzati da singoli parametri costitutivi (permittività o permeabilità) negativi (Single NeGative - SNG), i materiali a banda elettromagnetica proibita (Electromagnetic Band Gap - EBG), i materiali costituiti da strutture periodiche stampate planari.
In tale ambito si propone lo sviluppo della modellistica teorica per l'analisi, dei metodi numerici per la simulazione e l'ottimizzazione, delle tecniche di fabbricazione e di misura per la caratterizzazione sperimentale di diversi dispositivi quali: componenti miniaturizzati ad alte prestazioni (antenne integrate e assorbitori), dispositivi per superlensing, antenne altamente direttive, accoppiatori direzionali con elevati valori di accoppiamento, ecc.
Le applicazioni proposte per i suddetti dispositivi (come evidenziato in dettaglio nella descrizione delle attività) chiariscono il carattere altamente strategico della ricerca proposta, mentre le metodologie indicate per il conseguimento degli obbiettivi (che si ritrovano parimenti nella descrizione delle attività) palesano la dimensione del contributo di innovazione tecnologica che il presente programma si propone di dare. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Lucio Vegni Università degli Studi ROMA TRE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo della ricerca è quello di concepire, progettare e realizzare componenti a microonde di tipo innovativo e ad elevato contenuto tecnologico che manifestino prestazioni superiori a quelle ottenibili con tecnologie tradizionali. A tal scopo le unità di ricerca coinvolte nel progetto intendono avvalersi di diversi tipi di metamateriali - materiali artificiali con proprietà anomale non riscontrabili in natura - quali i mezzi DNG, SNG e EBG (vedere la base di partenza scientifica del programma di ricerca per la definizione di tali materiali e per la descrizione di alcune delle loro proprietà).

Le sorprendenti caratteristiche dei metamateriali DNG e SNG, la possibilità di essere realizzati su larga scala e i risultati preliminari ottenuti da diversi gruppi rendono oggi l’impiego di tali mezzi particolarmente adatto per superare i limiti tradizionali di dispositivi elettronici e a microonde realizzati con dielettrici convenzionali. In particolare, nell’ambito del programma di ricerca si intende impiegare i metamateriali di tipo DNG e SNG per superare il limite fisico della diffrazione, che impone per i componenti tradizionali dimensioni comparabili alla lunghezza d’onda. L’uso congiunto di materiali convenzionali e di metamateriali DNG/SNG permette di superare tale limite e concepire componenti miniaturizzati, utili in diversi tipi di applicazioni. D'altra parte, s'intende impiegare i metamateriali DNG e SNG anche per ottenere particolari prestazioni da componenti radianti e trasmissivi, altrimenti non ottenibili tramite l'impiego di componenti tradizionali. Su queste tematiche ora delineate, gli obbiettivi specifici del presente programma di ricerca sono:
1. progetto di antenne in microstriscia miniaturizzate e con adeguate caratteristiche radiative e di adattamento d'impedenza da utilizzare nei terminali mobili dei moderni sistemi di comunicazione;
2. progetto di antenne cilindriche compatte ad onda leaky con diagramma di radiazione conico ad elevata direttività per stazioni radio base di telefonia mobile destinate alla copertura di pico-celle;
3. progetto di assorbitori a microonde a banda stretta di dimensioni minori del decimo della lunghezza d'onda da impiegarsi come materiali assorbenti per ridurre la radiazione posteriore di antenne in microstriscia utilizzate nei terminali di telefonia mobile;
4. progetto di accoppiatori direzionali in microstriscia con elevati valori di accoppiamento per aumentare la versatilità nel progetto di reti formatrici di fascio per allineamenti d'antenne a controllo di fase.
Il progetto di ciascuno di questi diversi componenti prevede una procedura comune che si articola in un certo numero di fasi che si possono sintetizzare nei seguenti punti:
a) individuazione di una configurazione che, grazie all'impiego di metamateriali, possa garantire un miglioramento significativo delle caratteristiche del componente di interesse;
b) studio analitico del componente tramite modelli approssimati volto a confermare l'atteso miglioramento delle prestazioni tramite l'impiego di metamateriali DNG e SNG;
c) simulazione numerica full-wave del componente previa modellizzazione dei metamateriali tramite semplici leggi di dispersione (modelli di Drude e di Lorentz) allo scopo di verificare ulteriormente l'efficacia della configurazione proposta in a);
d) progetto delle inclusioni che servono per l'implementazione dei metamateriali DNG e SNG al fine di definire la configurazione pratica costruttiva da proporre per la realizzazione;
e) simulazione tramite codici numerici full-wave dell'intero componente con le relative inclusioni volta a verificare il funzionamento del componente in presenza di realistiche implementazioni di mezzi metamateriali DNG e SNG;
f) ottimizzazione del componente al fine di definire la migliore configurazione da proporre per la realizzazione;
g) assistenza tecnica nella fase di realizzazione di alcuni dimostratori da commissionarsi a Laboratori esterni;
h) misura dei prototipi realizzati tramite strumentazione a disposizione delle unità di ricerca.
Le fasi relative ai punti a)-f) e h) verranno svolte interamente utilizzando in maniera integrata know-how, risorse di calcolo, codici numerici autoprodotti, codici numerici commerciali, facilities sperimentali messe a disposizione per il progetto dalle diverse unità di ricerca.

Per quanto riguarda, invece, i metamateriali di tipo EBG, l'obiettivo della ricerca proposta è uno studio sistematico, dal punto di vista teorico e sperimentale, delle loro caratteristiche di trasmissione/riflessione, rifrazione, emissione e confinamento, finalizzato ad applicazioni nel campo dell’elettronica e delle telecomunicazioni. Come è noto, le strutture EBG hanno suscitato nell’ultimo decennio notevole attenzione da parte della comunità scientifica grazie alle loro capacità di esibire effetti "esotici" (rifrazione negativa, superlensing, tunneling anomalo, conduttori magnetici) precedentemente ritenuti impossibili (a tale proposito, si veda la sezione sulla base di partenza scientifica). Uno studio approfondito di tali effetti, anche attraverso la realizzazione e la misura di dispositivi prototipali da utilizzare in applicazioni tecnologiche avanzate, rappresenta un settore di elevata rilevanza strategica ancora largamente inesplorato.
In tale scenario sono da inquadrarsi le attività di ricerca proposte nel presente progetto coordinato, incentrate sulle seguenti tematiche:
5. modellizzazione di strutture EBG mono-, bi- e tri-dimensionali;
6. analisi delle proprietà EM di strutture EBG periodiche e nonperiodiche;
7. studio di applicazioni all’elettronica e alle telecomunicazioni;
8. realizzazione di prototipi e caratterizzazione sperimentale.
Il punto 5. si articola nei seguenti obiettivi specifici:
- sviluppo di librerie di codici di simulazione “full-wave” per lo studio di strutture EBG di dimensioni finite e infinite;
- sviluppo di modelli approssimati semi-analitici e semi-empirici di ausilio all’analisi fenomenologica.
Nell'ambito del punto 6. è previsto l’utilizzo degli strumenti di cui al punto precedente (e/o pacchetti software commerciali o freeware) per lo studio teorico delle proprietà di trasmissione/riflessione, rifrazione, emissione e confinamento di strutture EBG. Oltre alle classiche configurazioni periodiche, ci si propone di esplorare geometrie innovative nonperiodiche, recentemente emerse in letteratura come attraenti alternative. Nello specifico, si intende concentrare l’attenzione su:
- strutture multistrato monodimensionali a geometria frattale;
- strutture bidimensionali con geometrie reticolari “quasicristalline” basate su ricoprimenti aperiodici;
- strutture tridimensionali eventualmente contenenti difetti periodici.
Il punto 7. riguarderà lo studio di possibili applicazioni di interesse nell’ambito dell’elettronica e delle telecomunicazioni, con particolare riferimento ad antenne direttive, cavità ad alto fattore di merito, filtri a banda stretta sintonizzabili, “beam splitter” polarizzatori, lenti piatte in grado di superare il limite diffrattivo.
Infine, nell’ambito del punto 8. si prevede la realizzazione di prototipi operanti alle frequenze delle microonde (dove le scale in gioco facilitano la fabbricazione di strutture artificiali basate su inclusioni o strati di materiali facilmente reperibili e la loro caratterizzazione sperimentale presso i laboratori in dotazione alle Unità) e la caratterizzazione sperimentale di prototipi di strutture monodimensionali operanti a frequenze ottiche (realizzati su progetto da Laboratori esterni).

Infine, nell'ambito del presente programma di ricerca si intende studiare il comportamento elettromagnetico di un'altra classe di metamateriali costituita dalle strutture stampate periodiche, che si prevede di impiegare nel:
9. progetto di antenne e allineamenti d'antenne ad onda leaky planari a microonde. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Con il termine “metamateriali” ci si riferisce a quella vasta gamma di materiali elettromagnetici prodotti artificialmente e, di conseguenza, non esistenti in natura, sintetizzati inserendo strutture conduttrici di particolare forma e dimensione in un mezzo dielettrico ospitante. La forma, le dimensioni, la struttura, l’orientamento e la disposizione di tali inclusioni sono progettati per modificare le caratteristiche elettromagnetiche del dielettrico ospite ed ottenere proprietà particolari per le applicazioni d’interesse non realizzabili con mezzi convenzionali. La caratterizzazione di questi materiali è diventata un’esigenza fondamentale negli ultimi anni, principalmente per il fatto che le tecnologie di produzione hanno consentito di raggiungere risultati insperati solo poco tempo fa.

I metamateriali ad indice di rifrazione negativo, o “Double NeGative” (DNG) [1], destano attualmente un grande interesse in quest’ambito, presentando caratteristiche elettromagnetiche anomale molto promettenti per diverse applicazioni. Il loro studio, anticipato teoricamente da Veselago nel 1968 [2], ha riscosso un enorme interesse negli ultimi anni dopo che, per la prima volta, un esemplare funzionante alle frequenze delle microonde fu realizzato nei laboratori della University of California at San Diego [3]. La loro sintesi, ottenuta sfruttando la risonanza combinata di inclusioni metalliche a forma di bastoncini (dipoli elettrici) e di “split-ring resonators” (dipoli magnetici), è stata via via perfezionata nel corso degli anni ed attualmente consente di sintetizzare materiali ad indice di rifrazione negativo, isotropi su due o tre direzioni. Poichè in tali materiali le inclusioni e la distanza tra esse sono di dimensioni ridotte se confrontate con la lunghezza d’onda di lavoro, è possibile introdurre una permittività, una permebilità ed un indice di rifrazione efficaci del mezzo, indipendenti dall’angolo d’incidenza e dalle condizioni di polarizzazione dell’eccitazione, nonché dalle dimensioni della struttura cui ci si riferisce.
La loro sintesi parte dall’idea, introdotta in letteratura da Pendry, che una serie di dipoli elettrici orientati opportunamente provoca un comportamento risonante per la permittività elettrica effettiva del mezzo, seguendo le relazioni di Kramers-Kroenig tra permittività e frequenza [4]. Allo stesso modo, un insieme di dipoli magnetici provoca una risonanza analoga della permeabilità magnetica effettiva associata al metamateriale [5]. Se si fa in modo che le due risonanze avvengano nello stesso intervallo di frequenza senza apprezzabili accoppiamenti e che siano caratterizzate da un fattore di merito Q abbastanza elevato tale da portare il ramo negativo per entrambi i parametri costitutivi sotto lo zero, si riesce a sintetizzare un materiale ad indice di rifrazione negativo in un intervallo di frequenze più o meno ampio.
In realtà, il modo stesso in cui tali materiali vengono sintetizzati, sfruttando cioè opportune risonanze, presuppone una certa dispersione in frequenza, sebbene a tal proposito importanti studi siano stati svolti di recente per allargare l’intervallo di doppia negatività e per renderlo il meno dispersivo possibile. Va comunque sottolineato che a tal proposito c’è un limite di fisica realizzabilità: si può dimostrare, infatti, che un materiale passivo con comportamento DNG deve necessariamente essere dispersivo in frequenza. Tretyakov, per ovviare a questo limite, ha proposto l’introduzione di inclusioni attive, che in linea teorica rendono piatta la curva in frequenza, ottenendo metamateriali isotropi e a banda larga [6].
Sin dal lavoro pionieristico di Veselago [2] furono messe in evidenza alcune proprietà anomale dell’interazione elettromagnetica con i materiali DNG, sebbene l’interesse fosse più nelle singolari caratteristiche fisiche di questa interazione piuttosto che in un’effettiva loro applicazione ingegneristica. Più di recente, invece, in concomitanza con la realizzazione dei primi DNG, alcune interessanti proposte di applicazione di questi materiali hanno mostrato come il loro utilizzo possa superare alcune limiti fisici considerati fino ad allora fondamentali. In particolare, l’effetto di super-risoluzione di un materiale DNG, mostrato teoricamente da Pendry [7] e poi anche verificato sperimentalmente, ha mostrato come si possa superare il limite fisico della diffrazione. Una lente tradizionale, infatti, riesce a focalizzare un dettaglio con un limite ben noto in ottica: fissata la frequenza di lavoro tale dettaglio non può essere inferiore alla lunghezza d’onda. Tale limite in termini elettromagnetici è facilmente spiegato espandendo il piano oggetto, che si vuole focalizzare, nelle sue armoniche di Fourier. Ai dettagli di dimensioni maggiori corrispondono armoniche con periodo più lungo, che si propagano attraverso la lente e possono venire focalizzate nel piano immagine. D’altra parte, i dettagli più fini corrispondono ad armoniche con periodo sempre più piccolo e quelli di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda vengono descritti da componenti di Fourier sotto cut-off. Ciò implica che questi dettagli corrispondono allo spettro di onde evanescenti dell’oggetto, che una lente tradizionale non riesce a focalizzare. Una lamina piana di materiale DNG opportunamente progettato, invece, riesce a riportare nel piano immagine anche la corretta ampiezza e fase dello spettro evanescente [7], riuscendo in linea di principio a ricostruire esattamente l’immagine nel limite di assenza di perdite e adattamento perfetto tra lamina e spazio circostante. Anche quando queste condizioni non possono essere soddisfatte, comunque, è possibile utilizzare una lamina di metamateriale per andare al di sotto del limite fisico della diffrazione nell’imaging ottico e a microonde.
Altre interessanti applicazioni dei metamateriali sono scaturite a partire dall’idea di Engheta [8] secondo la quale si possono ottenere cavità risonanti di dimensioni trasversali molto più piccole della lunghezza d’onda se si giustappongono coppie di materiali coniugati. E' stato inoltre dimostrato che è possibile ottenere gli stessi risultati sostitutendo il materiale DNG con un materiale Single NeGative (SNG) che presenta un solo parametro elettromagnetico (permittività o permeabilità) negativo. I metamateriali SNG possono essere realizzati più facilmente dei DNG dal momento che è necessario utilizzare un solo tipo di inclusioni. A partire dall'idea presentata in [8] sono stati sviluppati di recente diversi studi volti a concepire nuove possibili applicazioni di coppie di metamateriali coniugati in guide d’onda, scatteratori, assorbitori e antenne (dipolari, in microstriscia, ad onda viaggiante) di dimensioni ultra compatte [9]-[29]. Tali studi sono ancora in una fase preliminare e necessitano di essere approfonditi per pervenire a delle vere e proprie tecniche di progetto. Queste possono essere sviluppate solo a valle di una modellizzazione accurata dei metamateriali impiegati e dello sviluppo di opportuni codici numerici capaci di simulare in maniera accurata ed efficiente le strutture proposte. Tutto ciò, insieme con la possibilità di realizzare dei prototipi dimostrativi di alcuni dei componenti proposti, rappresenterà oggetto dettagliato della ricerca, come già evidenziato nella sezione Obbiettivi del Programma di Ricerca.

Un'altra classe di metamateriali che di recente ha suscitato fortemente l'interesse della comunità scientifica è costituita dalle strutture a banda elettromagnetica proibita ("EM bandgap", EBG ) [30,31]. Tali strutture sono emerse come efficaci strumenti per ottenere effetti propagativi precedentemente ritenuti impossibili, aprendo prospettive rivoluzionarie nel progetto di dispositivi radianti, sistemi di imaging ad altissima risoluzione, cavità monomodali ad alto fattore di merito, filtri, interruttori ultraveloci, linee di ritardo, microlaser a bassa potenza, sistemi per la computazione ottica ultraveloce, etc. L'idea fondamentale, basata su analogie con la fisica dello stato solido (semiconduttori), è la progettazione di strutture periodiche (in una, due o tre dimensioni) che influenzino il comportamento delle onde EM. Il concetto centrale è la formazione di “bandgap” -- regioni di frequenza in cui la propagazione EM è totalmente inibita. Opportunamente progettate, tali strutture (dette “cristalli”) sono in grado di esibire una vasta gamma di effetti anomali che hanno recentemente generato grande interesse nella comunità scientifica dal punto di vista teorico e applicativo, tra i quali vale la pena di menzionare: rifrazioni anomale (ad esempio, "negative") [32]-[35], "lenti piatte" in grado di superare il limite diffrattivo [7,36], conduttori magnetici artificiali [37].
Con riferimento alle tematiche oggetto delle attività di ricerca del presente progetto coordinato (si veda, a tal proposito, la sezione “Obiettivo del Programma di Ricerca”) si segnalano i seguenti aspetti:
1) Le proprietà dei cristalli EBG sono intimamente legate alla particolare struttura reticolare (tipicamente periodica) che, a differenza dei semiconduttori, va realizzata artificialmente. A frequenze ottiche, ciò comporta notevoli problemi tecnologici, dovendo le scale reticolari risultare confrontabili con la lunghezza d'onda. Di più semplice praticabilità risulta lo studio dei dispositivi EBG nella regione delle microonde, dove le scale in gioco facilitano notevolmente la realizzazione e caratterizzazione sperimentale di strutture artificiali basate su componenti dielettrici o metallici.
2) Tra gli effetti più intriganti ottenibili da strutture EBG figurano la rifrazione negativa e l’emissione direttiva.
Nei cristalli EBG la rifrazione negativa può manifestarsi sia come effetto di un indice di rifrazione efficace negativo [32] sia per effetto di particolari conformazioni delle superfici equifrequenza [34] e può essere studiata partendo dalla struttura a bande del cristallo. Una delle implicazioni più interessanti riguarda la realizzazione di lenti piatte in grado di superare il limite diffrattivo (“superlensing”). Nonostante le controversie in materia, è stato sperimentalmente verificato che la rifrazione negativa consente di correggere la divergenza di un fascio incidente e di focalizzarlo in una immagine reale [36]. In tali applicazioni, l’utilizzo di strutture EBG dielettriche a bassa perdita può rivelarsi vantaggioso rispetto a metamateriali quasi-omogenei [3], nei quali la rifrazione negativa è tipicamente accompagnata da forti dissipazioni.
Gli effetti di emissione direttiva (da sorgenti non direttive poste all’interno o in prossimità di una struttura EBG) sono tipicamente basati sulle proprietà di filtraggio spaziale a frequenze poste nelle immediate vicinanze dei limiti di bandgap, o sulla creazione di microcavità attraverso l'introduzione di difetti reticolari. In tale contesto, l'utilizzo di cristalli EBG per applicazioni ad antenne direttive è stato suggerito in diversi lavori (ad esempio [38]-[40]).
3) Nell'ultimo decennio, grazie alla scoperta nell'ambito della fisica dello stato solido di particolari leghe metalliche (dette "quasicristalli") [41,42] il cui spettro di diffrazione ai raggi X presenta simmetrie rotazionali inusuali (ad esempio pentagonali o di ordine superiore a 6, notoriamente incompatibili con la periodicità del reticolo), si è generato un crescente interesse verso lo studio di geometrie reticolari nonperiodiche ordinate per strutture EBG. In particolare:
a. Nel caso di strutture EBG monodimensionali multistrato, morfologie frattali del tipo Cantor presentano notevole interesse applicativo [43]. Queste strutture sono caratterizzate da spettri di trasmissività con bande proibite adiacenti separate tra di loro da strette bande ad elevata trasmissività ed esibiscono interessanti fenomeni di localizzazione [44]. Tali proprietà possono risultare di particolare utilità in numerose applicazioni (filtri dielettrici a frequenze ottiche e a microonde, rivestimenti anti-riflettenti o ad elevata riflettività, superfici selettive in frequenza, ecc.). Particolarmente promettenti appaiono le applicazioni a filtri con prestazioni elevate (in termini di banda e sintonizzabilità) per sistemi di telecomunicazione WDM su portante ottica.
b. Nel caso di strutture EBG bidimensionali, studi recenti su geometrie aperiodiche ordinate ("quasicristalli"), caratterizzate da simmetrie rotazionali deboli (locali o statistiche) di tipo "noncristallografico" (ad esempio di ordine 5, 8, 12) [45-56], hanno confermato le possibilità di ottenere proprietà simili a quelle esibite da cristalli periodici, con potenziali vantaggi (ad esempio, frequenze di operazione più basse e/o multiple, migliore isotropia, maggiore semplicità nell'ottenimento di condizioni di phase-matching) derivanti dallo sfruttamento dei gradi di libertà aggiuntivi tipicamente disponibili nelle strutture aperiodiche. Interessanti applicazioni sono state proposte nell’ambito di laser [57,58], rifrazione negativa e "superlensing" [59], conversione di frequenza in regime ottico nonlineare [60], multiplexing a divisione di lunghezza d'onda [61], radiazione direttiva [62]. Dal punto di vista teorico, molti aspetti relativi ai quasicristalli EBG non sono ancora pienamente compresi, viste le notevoli complicazioni rispetto al caso dei cristalli periodici, principalmente legate all'impossibilità di definire una "cella unitaria" (e, quindi, una "zona di Brillouin").
c. Nel caso di strutture EBG tridimensionali, studi recenti hanno previsto l’utilizzazione pratica di tali materiali al fine di migliorare le prestazioni radiative di antenne integrate [63,64]. Facendo uso di cristalli tridimensionali si può localizzare il campo elettromagnetico in un difetto finito in tre dimensioni, mentre con gli EBG mono- e bi-dimensionali il campo elettromagnetico può essere localizzato, rispettivamente, solo con difetti planari o lineari. Inoltre, facendo uso della periodicità in una o due dimensioni si può ottenere propagazione proibita, rispettivamente, in una direzione o lungo tutte le direzioni appartenenti ad un piano. Solo una periodicità tridimensionale può realizzare una banda proibita omnidirezionale. Infine gli EBG tridimensionali hanno maggiori potenzialità nel controllo delle proprietà di radiazione delle antenne sia per quanto riguarda la direttività che la polarizzazione [63]. <<<