Rifrazione normale in un bicchiere d'acqua. Nel caso della rifrazione negativa, la parte sommersa della cannuccia apparirebbe ribaltata, come se la stessa cannuccia fosse stata piegata. Credit: imagenavi/ Getty Images.
I metamateriali sono strutture artificiali che possono piegare la luce, il suono e altre onde per generare effetti che non si osservano in natura. Ora un gruppo di fisici italiani ha dimostrato1 come un metamateriale composto da minuscoli fori a forma di L dia origine a un fenomeno precedentemente non osservato, noto come rifrazione negativa asimmetrica, che potrebbe essere sfruttato per applicazioni che vadano dagli isolatori sismici alle tecnologie di telecomunicazione.
I metamateriali sono costituiti da un gran numero di piccoli risonatori identici, disposti a griglia. Sono la forma e la disposizione di questi risonatori, piuttosto che la composizione chimica, a determinare la risposta del materiale alle onde in arrivo, determinando un comportamento nuovo quando esposto a radiazioni elettromagnetiche, acustiche e di altro tipo.
Una delle proprietà più sorprendenti dei metamateriali è la rifrazione negativa. Nella rifrazione normale, un'onda che entra in un mezzo denso con una certa angolazione, si piega verso quella che sarebbe stata la sua direzione se avesse incontrato il materiale frontalmente. La versione negativa del fenomeno vede invece l'onda piegarsi oltre quella direzione, detta "normale". Il risultato è una parziale inversione della traiettoria dell'onda.
Simone Zanotto, dell'Istituto Nanoscienze del CNR di Pisa, e i colleghi dell'Istituto Officina dei Materiali - CNR di Trieste, del Paul Drude Institut di Berlino e dell'Istituto di Nanoscienze del CNR di Pisa, hanno dimostrato una variazione asimmetrica di questo secondo effetto. Nel loro caso, se un'onda entra nel metamateriale da un lato della normale subisce una rifrazione positiva, mentre dall'altro lato subisce una rifrazione negativa, il che significa che in entrambi i casi lascia il materiale seguendo una traiettoria simile.
Per ottenere questo effetto, Zanotto e colleghi hanno inciso una serie di fori a forma di L, ciascuno lungo appena un millesimo di millimetro, su un sottile pezzo di semiconduttore arseniuro di gallio. Applicando rapide variazioni di tensione a un bordo dell'arseniuro di gallio, sono stati in grado di inviare un treno di onde meccaniche attraverso la superficie del metamateriale, a frequenze simili a quelle radio. Hanno quindi utilizzato impulsi laser per registrare il piccolissimo movimento verso l'alto e verso il basso del materiale causato dal passaggio delle onde.
Invece di osservare direttamente la rifrazione asimmetrica, i ricercatori ne hanno dedotto l'esistenza misurando un'asimmetria nei cosiddetti modi di Bloch, ovvero vincoli imposti alle onde quando attraversano una serie periodica di protuberanze o buchi. Zanotto afferma che questo risultato fornisce a fisici e ingegneri "un nuovo strumento" per la manipolazione delle onde.
Un possibile uso, suggerisce, potrebbe essere proteggere gli edifici dai terremoti. I pilastri di cemento posizionati in punti specifici del terreno possono deviare le onde sismiche intorno a un oggetto, e secondo Zanotto la nuova asimmetria potrebbe aiutare a ottimizzare la posizione di questi pilastri.
Anche la tecnologia degli smartphone potrebbe trarne beneficio, secondo Chen Shen, della Rowan University, negli Stati Uniti, che non ha partecipato alla ricerca. I telefoni si affidano a minuscoli dispositivi piezoelettrici per convertire le onde radio in onde meccaniche e viceversa, sfruttando il comportamento risonante di questi dispositivi per filtrare il rumore di fondo indesiderato. Sfruttando anche la rifrazione asimmetrica, spiega Shen, questi filtri potrebbero indirizzare più segnali contemporaneamente, ampliando così la capacità. "Sarebbe davvero entusiasmante ridurre ulteriormente le dimensioni degli attuali componenti dei telefoni o dei tablet", spiega Shen.
