Roma, 4 dicembre 2006 - Università “La Sapienza” di Roma - Facoltà di Ingegneria Sistemi Radianti Innovativi basati su Materiali Artificiali Micro- e Nano-Strutturati Attività dell’unità “Campi Elettromagnetici” Università “La Sapienza” di Roma Dipartimento di Ingegneria Elettronica W. Arrighetti, P. Baccarelli, P. Burghignoli, F. Frezza, A. Galli P. Lampariello, G. Lovat, S. Paulotto e G. Valerio

Metamateriali: motivazioni Crescente interesse rivolto alla teoria e alle applicazioni elettromagnetiche di materiali artificiali (MA) Metamateriali: strutture periodiche (o quasi-periodiche) descritte da parametri costitutivi con proprietà ‘notevoli’ Potenzialità delle strutture radianti basate su semplici sorgenti poste in presenza di MA Necessità di metodi numerici efficienti ed accurati per la simulazione di strutture periodiche

Strutture periodiche Definizione: Strutture che possiedono periodicità spaziale in una o più dimensioni Tipi: In natura: strutture cristalline Materiali Artificiali: Photonic Bandgap (PBG), Electromagnetic Bandgap (EBG), Frequency Selective Surface (FSS) Metamateriali Nanomateriali

Metamateriali: Modelli Omogenei Modelli classici isotropi: di tipo plasma, di tipo Lorentz Necessità di tenere conto degli effetti di anisotropia e dispersione spaziale Su questi si basano molti degli studi condotti sinora su sistemi radianti con metamateriali Problemi realizzativi Soprattutto quest’ultima introduce nuove difficoltà nella risoluzione analitica e numerica dei problemi, ma determina anche la comparsa di nuovi ed interessanti fenomeni propagativi e radiativi

Metamateriali: Antenne Planari Antenne a onda leaky ad alta direttività Struttura periodica planare Dipolo elementare Metamateriale isotropo a bassa permettività h ‘Wire Medium’: necessità di modelli anisotropi e spazialmente dispersivi

Metodi di analisi per strutture periodiche stampate Programmi di calcolo “ad hoc" per l'analisi modale e dell’eccitazione (da una singola sorgente aperiodica) di strutture periodiche in una e due direzioni stampate su un substrato dielettrico. Geometrie arbitrarie della metallizzazione all'interno della cella unitaria: MoM nel dominio dello spazio (formulazione ai potenziali misti + RWG); metodi di accelerazione per il calcolo numerico delle serie e degli integrali necessari all'analisi delle strutture periodiche. Eccitazione da una singola sorgente aperiodica: calcolo numerico delle funzioni di Green delle strutture periodiche mediante il cosiddetto Array Scanning Method

Tematiche di ricerca e applicazioni Analisi di substrati innovativi di tipo Metamateriale con soppressione completa delle onde superficiali per antenne planari a elevata efficienza - Sapienza Analisi di substrati innovativi di tipo Metamateriale per antenne a onda leaky a elevata direttività ed efficienza e con proprietà avanzate di scansione del fascio - Sapienza Uso di strutture EBG e Metamateriali nella realizzazione di Antenne Integrate Attive - Sapienza (Firenze, Pisa, Roma-Tor Vergata, Trieste) Realizzazione di antenne miniaturizzate caricate con materiali innovativi - Roma Tre Materiali EBG per antenne molto direttive - Roma Tre Realizzazione di dispositivi di imaging ad elevata risoluzione - Roma Tre

Materiali nano-strutturati: motivazioni Dispositivi plasmonici: utilizzano le proprietà ottiche di nano-strutture metalliche di varie forme di tipo periodico o quasi-periodico. Nano-misture: materiali realizzati tramite nano-inclusioni 3D di mezzi con caratteristiche differenti dal mezzo ospitante. Potenzialità dell’utilizzo di materiali nanostrutturati come superfici selettive in frequenza (schermi, filtri spaziali, FSS, ..), lenti per imaging ad alta risoluzione, dispositivi fotonici per la trasmissione straordinaria (a elevato guadagno) della luce attraverso aperture sub-wavelength. Necessità di metodi di analisi e di progetto e di tecniche per la caratterizzazione sperimentale dei materiali

Dispositivi plasmonici periodici Trasmissione straordinaria della radiazione luminosa attraverso aperture di dimensioni ben inferiori alla lunghezza d’onda in superfici metalliche corrugate periodicamente Analisi in termini di onde leaky plasmoniche eccitate ai due lati del metallo e guidate lungo la nano-corrugazione periodica Ottimizzazione della trasmissione straordinaria attraverso tecniche di sintesi di strutture a onda leaky periodiche volte a massimizzare la radiazione al broadside

Nano-misture Materiali capaci di esibire proprietà selettive in frequenza nel loro volume senza passband indesiderate o limitazioni inerenti la loro topologia Utilizzati in schermi, riflettori e filtri spaziali Nano-inclusioni metalliche Nano-strati metallici su substrati plastici Assorbitori alle microonde di spessore ridotto rispetto agli usuali composti in ferrite Fogli metallici ultrasottili trasparenti alle frequenze ottiche

Metodi di analisi Omogeneizzazione Mezzo ospitante Inclusioni Caratterizzazione attraverso “mixing formulas” del tipo Maxwell-Garnett, Clausius-Mossotti modificato e Bruggeman. Caratterizzazione sperimentale attraverso formule empiriche di “rilassamento” (Cole-Cole, Cole-Davidson, Havriliak–Negami, etc.) o di tipo “risonante” (Born e Wolf, Miles, Wertphal, e Hippel) Caratterizzazione attraverso circuiti equivalenti per la stima del comportamento in frequenza di permittività “complesse” valide in un ampio intervallo di concentrazione di nano-inclusioni metalliche

Tematiche di ricerca e applicazioni Caratterizzazione sperimentale dei materiali mediante misure in guida d’onda e in spazio libero - Sapienza Superfici selettive in frequenza basate su nano-misture - Sapienza Analisi e ottimizzazione di dispositivi plasmonici per la trasmissione straordinaria attraverso aperture “subwavelength” - Sapienza Uso di nanomateriali per la realizzazione di sensori ad infrarossi ad alta risoluzione - Roma Tre Uso di materiali sintetici per l’invisibilità - Roma Tre Realizzazione di nanocircuiti ottici - Roma Tre