Una metasuperficie non reciproca basata sui meta-atomi magnetici

12 aprile 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Le metasuperfici, versioni bidimensionali o planari dei metamateriali, presentano proprietà che non si trovano tipicamente nei materiali naturali. Essendo piatte, questi materiali possono essere prodotti utilizzando processi di fabbricazione ampiamente conosciuti e possono aiutare a controllare la propagazione delle onde elettromagnetiche in diversi dispositivi.

La maggior parte delle metasuperfici segue le regole descritte dal cosiddetto teorema di reciprocity di Lorentz, che fondamentalmente significa che presentano caratteristiche simmetricamente allineate alla direzione di propagazione dell'onda elettromagnetica. Le metasuperfici non reciproche sono una classe emergente di metasuperfici che non obbediscono al teorema di reciprocity di Lorentz.

A differenza delle metasuperfici convenzionali, le metasuperfici non reciproche potrebbero codificare funzioni ottiche sulle onde che si propagano sia in avanti che all'indietro. Questa caratteristica chiave potrebbe renderle particolarmente promettenti per lo sviluppo di diverse tecnologie, tra cui antenne non reciproche o strutture di protezione note come radomi, progettate per preservare il funzionamento di antenne radar o sistemi di comunicazione wireless.

I ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia Elettronica della Cina e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente sviluppato una nuova metasuperficie magnetica e non reciproca che potrebbe essere utilizzata per creare nuovi dispositivi con varie funzionalità non reciproche. Questa metasuperficie, presentata in Nature Electronics, è stata creata utilizzando una serie di meta-atomi magnetici auto-polarizzati realizzati di esabario esaidrato ferrito lantanato (BaFe12O19).

"Riportiamo una metasuperficie non reciproca auto-polarizzata basata su meta-atomi magnetici realizzati in BaFe12O19 dopato con lantanio (La)", hanno scritto Weihao Yang, Jun Qin e i loro colleghi nel loro articolo. "La metasuperficie offre una trasmissione fino al 77% e un angolo di funzionamento di ±64°."

In sostanza, ciascuno dei meta-atomi contenuti nella metasuperficie non reciproca del team può essere magnetizzato individualmente lungo diverse direzioni. Sfruttando questa caratteristica chiave del loro progetto, i ricercatori sono stati in grado di ingegnerizzare le loro metasuperfici per ottenere profili di gradiente di fase non reciproci bidirezionali.

Nelle prime prove, hanno quindi dimostrato che le metasuperfici risultanti possono consentire una vasta gamma di funzionalità che potrebbero essere vantaggiose per la creazione di diversi dispositivi e componenti elettronici. Ad esempio, potrebbero essere utilizzate per ottenere l'isolamento, la circolazione e la trasmissione full-duplex delle onde elettromagnetiche.

"Mostriamo che possono essere utilizzati per la modulazione di fase bidirezionale su richiesta, che fornisce funzionalità non reciproche, tra cui l'isolamento a microonde, il puntamento del raggio non reciproco, la messa a fuoco non reciproca e l'olografia non reciproca", hanno scritto Yang, Qin e i loro colleghi nel loro articolo. "L'approccio potrebbe anche essere potenzialmente esteso a frequenze nell'ordine dei megahertz e ottiche utilizzando materiali magnetici auto-polarizzati diversi."

In futuro, le nuove metasuperfici non reciproche create da Yang, Qin e i loro colleghi potrebbero essere utilizzate per sviluppare nuove e promettenti elettroniche, tra cui antenne non reciproche e radomi. Inoltre, il design innovativo che hanno creato potrebbe ispirare altri team a creare altre metasuperfici simili basate su meta-atomi magnetici auto-polarizzati.

Nelle loro prossime ricerche, i ricercatori potrebbero estendere la frequenza di funzionamento delle loro metasuperfici utilizzando meta-atomi auto-polarizzati diversi, coprendo potenzialmente frequenze d'onda da megahertz a ottiche. Inoltre, progettano di migliorare ulteriormente le prestazioni generali dei dispositivi basati sulle loro metasuperfici, ad esempio riducendo le perdite di efficienza, inserzione e riflessione associate al loro attuale design.

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