Negli ultimi anni sono stati studiati estensivamente i diversi meccanismi ottici che la natura impiega per interagire con la radiazione incidente e creare effetti cromatici straordinari. Il campo di ricerca denominato biomimetica ha subito eccezionali progressi sia teorici che sperimentali. In particolare, da questi studi, emerge il risultato che l'utilizzo combinato di ordine e disordine in strutture fotoniche complesse, come ad esempio le scaglie delle ali delle farfalle oppure la pelle dei camaleonti, consente il design di nuovi dispositivi ottici e lo sviluppo di micro- e nano-strutture con proprietà spettrali altamente specializzate.
In questo progetto, prendendo ispirazione e motivazione da quello che la natura fa nel visibile, miriamo ad un obiettivo generale: la progettazione di strutture ibride, disordinate e periodiche, per il conseguimento di proprietà spettrali tunabili nell'infrarosso vicino e medio.
La sinergia di due approcci così diversi, random e periodico, può infatti generare eccezionali opportunità per la progettazione di nuovi materiali alla micro- e nanoscala, aprendo la strada a diverse promettenti applicazioni nell'ingegnerizzazione della emissione di radiazione infrarossa, la sensoristica e molte altre. La forte selettività spettrale risultante dall'utilizzo di strutture periodiche e l'allargamento dell'angolo di emissione determinato dai sistemi random, è solo un esempio di un effetto che può scaturire da questa complessa interazione.
In particolare, svilupperemo la progettazione di metamateriali polari ad inclusioni orientate (random) abbinate a sistemi periodici mono- o bidimensionali attraverso l'implementazione di tecniche di modellazione, quali estensioni delle tecniche di omogeneizzazione classiche (la teoria di Maxwell Garnett e lo studio dei sistemi percolativi), in combinazione con i metodi per strutture periodiche uni- (matrici di trasferimento) e bi-dimensionali (calcolo nel dominio del tempo delle differenze finite FDTD).
In questo progetto studieremo l'emissione IR di una struttura complessa costituita da un metamateriale polare abbinato ad una struttura periodica per applicazioni nell'ambito della sensoristica (assorbimento spettralmente selettivo) e di amplificazione dell'emissione/assorbimento (fino a grandi angoli). L'innovatività di questa ricerca risiede nel fatto che l'utilizzo congiunto di ordine e disordine consente di progettare strutture fotoniche complesse, sul modello delle ali delle farfalle o della pelle del camaleonte, sia nel visibile che nell'infrarosso.
Negli ultimi anni ci siamo occupati di modulazione dell'emissione IR sviluppando separatamente i due diversi approcci. In particolare, abbiamo studiato filtri di tipo randomico come film di nanofili metallici per la riduzione dell'emissività nell'IR [13-14] e metamateriali composti da inclusioni orientate in un mezzo polare [15]; parallelamente abbiamo progettato strutture periodiche quali multistrato a simmetria frattale per ottenere emissione IR con un grado di coerenza spaziale e temporale [16-17].
Sulla base delle nostre precedenti esperienze, svilupperemo alcuni metamateriali polari ad inclusioni orientate supportati da sistemi periodici mono- e bidimensionali.
In letteratura si possono trovare diversi gruppi che lavorano su materiali (a volte anche biologici) per riprodurre l'assemblaggio combinato di strutture disordinate/periodiche sul modello di quelle osservabili in natura. Tuttavia, uno studio sistematico su come strutture random e strutture periodiche possano essere combinate ed interagire non è stato ancora intrapreso.
Nell'ambito di questa tematica, vi sono, inoltre, diverse problematiche da risolvere e che porterebbero ad un avanzamento di conoscenze rispetto allo stato dell'arte.
Prima di tutto i due approcci, cioè quello relativo ad elementi casuali e ad elementi periodici, hanno regole di dimensionamento diverse. In particolare, le nanostrutture distribuite casualmente per formare un mezzo effettivo (metamateriale) sono soggette a regole di scala di omogeneizzazione, cioè le loro dimensioni caratteristiche devono essere più piccole delle lunghezze d'onda prese in considerazione. D'altra parte, le strutture periodiche hanno dimensioni caratteristiche confrontabili con le lunghezze d'onda operative. Pertanto, il limite fissato dai criteri di omogeneizzazione imporrà un limite alle dimensioni di entrambe le strutture.
Una seconda problematica è legata all'utilizzo di diversi strumenti computazionali per le varie strutture: mentre la struttura combinata dovrebbe essere modellizzata con uno strumento di calcolo congiunto. L'approccio del mezzo effettivo ad inclusioni orientate può essere usato per ottenere le proprietà dielettriche efficaci del metamateriale, che successivamente possono essere integrate nel modello delle matrici (per strutture periodiche unidimensionali) o nella libreria della simulazione numerica FDTD (per strutture periodiche bidimensionali).
Infine, in letteratura sono stati proposti diversi schemi che rivelano l'importanza delle onde evanescenti (quali quelle derivanti dall'eccitazione di un polaritone) ad esempio nell'amplificazione del trasferimento termico su scala nanometrica. Tuttavia, non sono stati ancora studiati sistematicamente dei dispositivi che possano trarre vantaggio da questo effetto su scale spaziali più grandi. Grazie all'accoppiamento tra modi evanescenti e modi propagativi, le strutture prese in esame in questo progetto rappresentano una nuova classe di dispositivi operativi nell'IR.
Come possibile esempio, si potrà studiare la combinazione di un metamateriale polare con strutture periodiche multistrato o reticoli risonanti. Nell'IR, questo tipo di sistema permetterà di controllare il flusso del campo elettromagnetico emesso termicamente dal metamateriale polare, che potrebbe essere selettivamente confinato negli strati di guida e utilizzata per applicazioni termiche fotovoltaiche o per rilevamento di gas pericolosi, o ancora come elementi base per lo sviluppo di diodi termici o porte logiche termiche.
[13] M.C.Larcipreteet al.,"Infrared properties of randomly oriented silver nanowires", Journal of Applied Physics 112, 083503 (2012).
[14] M.C.Larciprete et al., "Metallic oriented nanowires films for infrared radiation manipulation", Appl. Phys. A 122: 343 (2016).
[15] M.C.Larciprete et al., "Asymmetric and tunable thermal emission in metamaterials composed by oriented air voids into a polar material", submitted to Journal of Modern Optics.
[16] M.C.Larciprete et al., "Pre-fractal multilayer structure for polarization- insensitive temporally and spatially coherent thermal emitter", Optics Express 21, A576-A584 (2013).
[17] M.C.Larciprete et al., "Polarization insensitive infrared absorbing behaviour of one-dimensional multilayer stack: A fractal approach", Optics Express, 22 (21), pp. A1547-A1552.