La luce si progetta nel tempo: dall’Università del Sannio un nuovo metodo per i metamateriali del futuro

Un gruppo di ricerca dell’Università del Sannio, in collaborazione con partner nazionali e internazionali, ha sviluppato un nuovo metodo analitico per progettare metamateriali temporali, con risultati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters, una delle più prestigiose nel campo della fisica.
Lo studio, intitolato Analytic Inverse Design of Temporal Metamaterials via Space-Time Duality, è firmato da Giuseppe Castaldi, Marino Coppolaro, Massimo Moccia e Vincenzo Galdi del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del Sannio, insieme a Carlo Rizza dell’Università dell’Aquila e Nader Engheta dell’University of Pennsylvania.
I metamateriali temporali sono materiali artificiali in cui le proprietà elettromagnetiche, come l’indice di rifrazione, vengono modulate nel tempo anziché nello spazio. Questo consente di interagire con le onde elettromagnetiche in modo dinamico, introducendo effetti non accessibili nei materiali tradizionali, come la conversione di frequenza, la non reciprocità e la possibilità di amplificare o trasformare segnali durante la loro propagazione. Queste caratteristiche rendono i metamateriali temporali particolarmente promettenti per applicazioni nelle telecomunicazioni, nella fotonica avanzata e soprattutto nel calcolo analogico basato sulla luce, un settore emergente che mira a eseguire operazioni matematiche ed elaborazione dell’informazione direttamente attraverso la propagazione delle onde elettromagnetiche, con potenziali vantaggi in termini di velocità ed efficienza energetica rispetto ai sistemi elettronici convenzionali.
Il contributo del lavoro consiste nello sviluppo di una metodologia sistematica e completamente analitica per la progettazione di questi materiali. A partire da una risposta desiderata, come un filtro selettivo o un operatore matematico quale derivata o integrale, il metodo permette di determinare direttamente come deve variare nel tempo l’indice di rifrazione del materiale, senza ricorrere a procedure iterative o a ottimizzazioni numeriche. L’approccio si fonda sulla dualità spazio-tempo, un principio che mette in relazione i fenomeni ondulatori nei due domini. Questa idea consente di trasferire nel dominio temporale strumenti teorici sviluppati per problemi spaziali. In particolare, i ricercatori hanno adattato tecniche di progettazione inversa nate negli anni ’50 nell’ambito della meccanica quantistica, dove venivano utilizzate per ricostruire il potenziale di un sistema a partire dai dati di scattering. Successivamente, queste metodologie sono state estese all’elettromagnetismo e perfezionate fino a consentire la ricostruzione analitica di profili materiali a partire da specifiche risposte in frequenza. Il lavoro dimostra come questo patrimonio teorico possa essere reinterpretato e applicato con successo ai metamateriali temporali, fornendo soluzioni in forma chiusa e garantendo condizioni di realizzabilità fisica. Le simulazioni numeriche riportate nello studio confermano l’efficacia dell’approccio, mostrando un’eccellente corrispondenza tra le previsioni teoriche e i risultati computazionali nella realizzazione di operatori matematici e filtri avanzati, inclusi filtri di tipo Chebyshev e Butterworth. In prospettiva, questi risultati potrebbero consentire la realizzazione di dispositivi fotonici in grado di elaborare segnali e informazioni direttamente mediante la dinamica temporale della luce, senza necessità di conversione elettronica intermedia.“Abbiamo sviluppato un approccio che consente di progettare metamateriali temporali in modo diretto e rigoroso,” commenta Giuseppe Castaldi, primo autore del lavoro. “La possibilità di ottenere soluzioni analitiche senza ottimizzazione numerica rappresenta un avanzamento significativo, perché permette un controllo preciso e prevedibile delle proprietà del sistema.” “Questo risultato,” aggiunge Vincenzo Galdi, che ha diretto la ricerca, “mostra come strumenti teorici sviluppati decenni fa possano essere reinterpretati in chiave moderna per affrontare problemi emergenti. Si apre così la strada a dispositivi fotonici dinamici e programmabili, con possibili applicazioni nel calcolo analogico e nelle tecnologie dell’informazione del futuro.”
Il lavoro rafforza il ruolo dell’Università del Sannio nella ricerca sui metamateriali e sulle onde elettromagnetiche, contribuendo allo sviluppo di nuove tecnologie per il controllo della luce e dell’informazione.

Link all’articolo: https://link.aps.org/doi/10.1103/wmlj-gffb