NIM

NIM

– Sigla di Negative index materials, a indice di rifrazione negativo, anche detti LHM (Left-Handed materials) perché è sinistrorsa la terna formata dai vettori campo elettrico, campo magnetico e vettore di propagazione di un’onda elettromagnetica in essi propagantesi. I NIM rappresentano la classe di metamateriali di maggior interesse, alla quale taluni vorrebbero restringere l’appellativo. Dopo il suggerimento di John B. Pendry su come materiali di questo genere potessero essere costruiti per funzionare nella regione delle microonde e dopo la loro attuazione sperimentale, all’inizio del 21° sec. si sono avute le prime realizzazioni nel campo dell’infrarosso e del visibile e si è iniziato a discutere di alcune delle loro peculiari proprietà. La conseguenza più spettacolare dell’avere un indice di rifrazione negativo può aversi considerando la legge di Cartesio-Snell della rifrazione. Per un raggio di luce che incida sulla superficie di separazione di due mezzi di indice di rifrazione rispettivamente n₁ e n₂, con n₂<0, il raggio rifratto dev’essere inclinato rispetto alla normale alla superficie dalla parte opposta di quello che avverrebbe se il mezzo n₂ avesse indice positivo. Inoltre poiché in un NIM i vettori E, H e k (campi elettrico e magnetico, e vettore di propagazione dell’onda) sono una terna sinistra, il vettore di Poynting, S=E×H, punta nella direzione opposta a k. Il vettore di Poynting e la velocità di gruppo sono nella stessa direzione, ma la velocità di fase è in direzione opposta. Queste caratteristiche comportano alcune notevoli conseguenze, quali l'effetto Doppler invertito (se una sorgente si muove verso un rivelatore si osserva che la radiazione rilevata ha una frequenza più bassa di quella generata quando la sorgente è immobile) e l'effetto Čerenkov invertito (la luce viene emessa in un cono che punta all'indietro rispetto alla direzione del moto della particella). Un’altra conseguenza del fatto che il flusso di energia e il vettore d’onda k sono in direzione opposta uno rispetto all’altro è che un atomo emettente spontaneamente un fotone in un NIM risente un rinculo nella stessa direzione del vettore di Poynting della luce emessa (invece che in direzione opposta come accade in un materiale ordinario). Pertanto se la luce in un metamateriale incide su una superficie riflettente, essa fornisce al riflettore un impulso nella direzione opposta al vettore di Poynting. Nel passare da un mezzo ordinario a un NIM anche le formule di Fresnel, che descrivono come variano le ampiezze dei campi riflesso e rifratto, subiscono mutamenti quando l’angolo di incidenza è superiore all’angolo critico per la riflessione totale. Inoltre, nel caso in cui la luce incida da un mezzo con indice di rifrazione positivo a un mezzo con indice negativo, in modo tale che i valori assoluti delle costanti dielettriche (ε) e delle permeabilità magnetiche (μ) nei due mezzi siano uguali ma negativi nel NIM, l’indice di rifrazione è uguale in valore assoluto nei due mezzi, ma negativo nel NIM, e si ha che il campo riflesso è zero. Si osservi infine che i mezzi con solo ε o solo μ negative sono fortemente assorbenti perché il prodotto delle due quantità è negativo e l’indice di rifrazione risulta un numero immaginario e quindi introduce un decadimento esponenziale in un’onda che attraversa il mezzo.

L’ottica dei NIM e la superrisoluzione. ‒ Una prima applicazione della caratteristica di un metamateriale con indice di rifrazione negativo si ha nella formazione dell’immagine. In una descrizione di ottica geometrica, una sorgente puntiforme posta di fronte a un NIM planare è focheggiata in un punto. Un NIM può essere quindi usato per realizzare una lente planare. Un tale elemento focheggiante non è una lente in senso convenzionale, perché non focheggia in un punto dei raggi che provengono dall’infinito. La dimensione di un oggetto esteso non cambia e quindi l’ingrandimento è unitario. Inoltre, mentre una lente convenzionale equalizza i cammini ottici dei vari raggi, in modo da riportarli tutti in fase nel punto immagine, nonostante abbiano compiuto percorsi diversi, il NIM rimette in fase i raggi semplicemente perché il cammino nel NIM avviene con una fase negativa e quindi i raggi arrivano nel punto immagine con la stessa fase che avevano in origine. Una lente convenzionale, non importa quanto sia buona la qualità del vetro o delle superfici, introduce sempre aberrazioni che degradano la qualità dell’immagine anche in luce monocromatica, mentre la lente planare NIM è priva di aberrazioni. Infine, costruendo l’immagine di oggetti estesi realizzata da una sbarra di NIM si mantiene l'orientamento nello stesso verso dell'oggetto. Nel 2000 Pendry ha osservato per una lente siffatta l'ulteriore notevole proprietà di trasportare sul piano immagine le onde evanescenti. Un qualsiasi oggetto illuminato da un’onda la diffrange in tutte le direzioni e la luce diffratta contiene l’informazione sulle caratteristiche dell’oggetto. Tuttavia, nel processo di diffrazione avviene che tutti i particolari dell’oggetto che si sviluppano su una scala minore della lunghezza d’onda della luce con cui esso è illuminato danno luogo a onde diffratte che non si propagano liberamente nello spazio, ma decadono con legge esponenziale con la distanza, allontanandosi da esso. Quindi, se si osserva l’oggetto a una distanza di poche lunghezze d’onda dalla sua superficie, tali onde non ci sono più e i dettagli sono irrimediabilmente persi. Queste onde prendono il nome di onde evanescenti ed è a causa di tale fenomeno che i microscopi ordinari hanno un potere risolutivo, cioè una capacità di distinguere come separati due punti tra loro vicini, che è di poco inferiore al valore della lunghezza d’onda utilizzata nell’illuminazione. Una lastra di materiale a indice di rifrazione negativo in condizioni ideali, cioè quando non c’è assorbimento – condizione non ancora realizzabile, mutuabile con un materiale con assorbimento molto piccolo – è capace di trasmettere nel piano immagine non solo tutte le onde reali che sono emesse dall’oggetto, ma anche quelle evanescenti che, se l’oggetto è sufficientemente vicino alla lastra, arrivano a colpire l’interfaccia fra il mezzo ordinario e il NIM. Una lente NIM non soltanto cancella l’accumulazione di fase per le onde propaganti, ma ristabilisce anche le ampiezze delle componenti evanescenti, portandole entrambe a un fuoco sul piano immagine. Questa lente, che ha un potere risolutivo molto maggiore delle lenti ordinarie, viene chiamata superlente. Le potenziali applicazioni dei NIM non si limitano soltanto ai problemi di formazione di immagini con superrisoluzione, essendone possibili altre, in fase di proposta o ancora in via di sviluppo, che consentono, per es., di aumentare il campo visivo per la formazione dell’immagine o di migliorare le caratteristiche delle antenne a microonde. Un promettente campo di ricerca riguarda le applicazioni dei NIM al problema dell’invisibilità, ossia nascondere un oggetto a un'onda elettromagnetica incidente. In questo ambito lo stato attuale presenta un’importante limitazione costituita dalla circostanza che la banda di frequenze in cui si riesce a ottenere l’invisibilità con ε e μ contemporaneamente negative è alquanto stretta. Uno dei problemi che si incontrano nel progetto dei NIM riguarda le perdite nel materiale, che invariabilmente costituiscono una forte limitazione. Tali perdite, inoltre, crescono con la frequenza e quindi possono essere molto importanti nella zona del visibile. Per ovviare all’inconveniente, è stato suggerito l'inserimento, nella costruzione della cella elementare costituente il metamateriale, di un elemento attivo che possa compensare le perdite. Questo può essere realizzato abbastanza facilmente nel dominio delle microonde mentre sembra ancora assai difficile per frequenze più alte. Si menzionano, infine, le promettenti e interessanti possibilità dei NIM anche nel campo dell’ottica non lineare.