Il corso permette di apprendere gli strumenti per l’analisi ed il progetto di dispositivi innovativi ad alto contenuto tecnologico basati sull’impiego dei materiali elettromagnetici artificiali e dei metamateriali.
scheda docente materiale didattico
Metamateriali ad indice di rifrazione negativo. Classificazione e terminologia. Risonatore di Engheta. Lente di Pendry. Metamateriali a linea di trasmissione. Miniaturizzazione di componenti. Antenne miniaturizzate. Metamateriali bi-dimensionali: metasuperfici. Progetto di inclusioni per metamateriali a microonde. Progetto di metamateriali a linea di trasmissione e progetto di componenti miniaturizzati (celle elementari, sfasatori, rat-race, ecc.). Esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.
Modulo 2: Invisibilità elettromagnetica e metasuperfici.
Riduzione dell’osservabilità radar. Concetti di base sull’invisibilità elettromagnetica. Sezione radar e sezione di scattering. Figure di merito per quantificare l’efficacia di un dispositivo di invisibilità elettromagnetica. Concetti introduttivi sull’elettromagnetismo di trasformazione. Mantello dell’invisibilità basato sull’elettromagnetismo di trasformazione. Altre tecniche per ottenere l’invisibilità elettromagnetica. Concetti introduttivi sulla cancellazione dello scattering. Cancellazione dello scattering mediante metamateriali volumetrici. Cancellazione dello scattering mediante metasuperfici (mantle cloaking). Teoria di Mie per oggetti sferici e cilindrici ricoperti con uno strato volumetrico e un’impedenza superficiale. Implementazione di dispositivi di invisibilità basati sulla cancellazione dello scattering a microonde: materiali volumetrici e metasuperfici a singola e doppia polarizzazione. Applicazioni dell’invisibilità elettromagnetica alle microonde: invisibilità di oggetti passivi, invisibilità di antenne riceventi e sensori, invisibilità reciproca di antenne trasmittenti. Dispositivi di invisibilità elettromagnetica non-lineari e selettivi rispetto alla forma d’onda e relative applicazioni. Esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.
Modulo 3: Metasuperfici a frequenze ottiche.
Metasuperfici a frequenze ottiche basate su allineamenti di nanoparticelle. Caratterizzazione elettromagnetica dei metalli a frequenze ottiche. Modello di Drude. Effetto della forma e delle dimensioni sulla risposta ottica dei materiali. Effetto di dispersione superficiale. Tecniche di omogeneizzazione volumetriche di allineamenti di nanoparticelle: formule di Maxwell Garnett e di Clausius-Mosotti. Tecniche di omogeneizzazione bidimensionali. Applicazioni delle metasuperfici ottiche: invisibilità elettromagnetica, assorbitori ottici, dispositivi per la minimizzazione delle riflessioni e schermi trasparenti. Estensione del modello bidimensionale a metasuperfici composte da nanoparticelle dielettriche. Applicazioni delle metasuperfici dielettriche. Esercitazioni in ambiente di calcolo numerico.
Modulo 4: Metamateriali tempo-spazio varianti.
Introduzione alla non-reciprocità elettromagnetica ottenuta con materiali naturali e metamateriali. Introduzione ai metamateriali modulati nel tempo e nello spazio. Analisi di un risonatore caricato con metamateriale tempo-spazio variante: modi accoppiati, modi in risonanza e risposta in frequenza. Applicazioni di risonatori caricati con metamateriale tempo-spazio variante. Propagazione libera in un mezzo infinitamente esteso e in uno slab finito modulato nel tempo e nello spazio. Analisi della propagazione in uno slab nel dominio del tempo e applicazioni. Metasuperfici tempo-spazio varianti.
Modulo 5: Metamateriali per campi strutturati.
Proprietà topologiche dei campi strutturati. Introduzione ai concetti di momento orbitale angolare, singolarità di fase e carica topologica. Generazione di campi elettromagnetici con singolarità di fase a frequenze ottiche e a microonde. Generazione di vortici compositi e loro proprietà topologiche (robustezza rispetto all'interazione con oggetti opachi e con campi non vorticosi). Esempi di applicazioni: antenna a patch con stato di polarizzazione di tipo Moebius; sagomatura e orientamento del diagramma di radiazione; casi particolari di diagramma settoriale e a sella. Esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.
Modulo 6: Tecniche di misura delle proprietà elettromagnetiche dei materiali.
Tecniche per la misura dei parametri elettromagnetici dei materiali. Metodo capacitivo e induttivo, tecniche risonante e non-risonante. Scelta della tecnica di misura. Strumenti di misura. Algoritmi di retrieval dei parametri elettromagnetici. Algoritmo di Nicholson-Ross.
Programma
Modulo 1: Introduzione ai metamateriali.Metamateriali ad indice di rifrazione negativo. Classificazione e terminologia. Risonatore di Engheta. Lente di Pendry. Metamateriali a linea di trasmissione. Miniaturizzazione di componenti. Antenne miniaturizzate. Metamateriali bi-dimensionali: metasuperfici. Progetto di inclusioni per metamateriali a microonde. Progetto di metamateriali a linea di trasmissione e progetto di componenti miniaturizzati (celle elementari, sfasatori, rat-race, ecc.). Esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.
Modulo 2: Invisibilità elettromagnetica e metasuperfici.
Riduzione dell’osservabilità radar. Concetti di base sull’invisibilità elettromagnetica. Sezione radar e sezione di scattering. Figure di merito per quantificare l’efficacia di un dispositivo di invisibilità elettromagnetica. Concetti introduttivi sull’elettromagnetismo di trasformazione. Mantello dell’invisibilità basato sull’elettromagnetismo di trasformazione. Altre tecniche per ottenere l’invisibilità elettromagnetica. Concetti introduttivi sulla cancellazione dello scattering. Cancellazione dello scattering mediante metamateriali volumetrici. Cancellazione dello scattering mediante metasuperfici (mantle cloaking). Teoria di Mie per oggetti sferici e cilindrici ricoperti con uno strato volumetrico e un’impedenza superficiale. Implementazione di dispositivi di invisibilità basati sulla cancellazione dello scattering a microonde: materiali volumetrici e metasuperfici a singola e doppia polarizzazione. Applicazioni dell’invisibilità elettromagnetica alle microonde: invisibilità di oggetti passivi, invisibilità di antenne riceventi e sensori, invisibilità reciproca di antenne trasmittenti. Dispositivi di invisibilità elettromagnetica non-lineari e selettivi rispetto alla forma d’onda e relative applicazioni. Esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.
Modulo 3: Metasuperfici a frequenze ottiche.
Metasuperfici a frequenze ottiche basate su allineamenti di nanoparticelle. Caratterizzazione elettromagnetica dei metalli a frequenze ottiche. Modello di Drude. Effetto della forma e delle dimensioni sulla risposta ottica dei materiali. Effetto di dispersione superficiale. Tecniche di omogeneizzazione volumetriche di allineamenti di nanoparticelle: formule di Maxwell Garnett e di Clausius-Mosotti. Tecniche di omogeneizzazione bidimensionali. Applicazioni delle metasuperfici ottiche: invisibilità elettromagnetica, assorbitori ottici, dispositivi per la minimizzazione delle riflessioni e schermi trasparenti. Estensione del modello bidimensionale a metasuperfici composte da nanoparticelle dielettriche. Applicazioni delle metasuperfici dielettriche. Esercitazioni in ambiente di calcolo numerico.
Modulo 4: Metamateriali tempo-spazio varianti.
Introduzione alla non-reciprocità elettromagnetica ottenuta con materiali naturali e metamateriali. Introduzione ai metamateriali modulati nel tempo e nello spazio. Analisi di un risonatore caricato con metamateriale tempo-spazio variante: modi accoppiati, modi in risonanza e risposta in frequenza. Applicazioni di risonatori caricati con metamateriale tempo-spazio variante. Propagazione libera in un mezzo infinitamente esteso e in uno slab finito modulato nel tempo e nello spazio. Analisi della propagazione in uno slab nel dominio del tempo e applicazioni. Metasuperfici tempo-spazio varianti.
Modulo 5: Metamateriali per campi strutturati.
Proprietà topologiche dei campi strutturati. Introduzione ai concetti di momento orbitale angolare, singolarità di fase e carica topologica. Generazione di campi elettromagnetici con singolarità di fase a frequenze ottiche e a microonde. Generazione di vortici compositi e loro proprietà topologiche (robustezza rispetto all'interazione con oggetti opachi e con campi non vorticosi). Esempi di applicazioni: antenna a patch con stato di polarizzazione di tipo Moebius; sagomatura e orientamento del diagramma di radiazione; casi particolari di diagramma settoriale e a sella. Esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.
Modulo 6: Tecniche di misura delle proprietà elettromagnetiche dei materiali.
Tecniche per la misura dei parametri elettromagnetici dei materiali. Metodo capacitivo e induttivo, tecniche risonante e non-risonante. Scelta della tecnica di misura. Strumenti di misura. Algoritmi di retrieval dei parametri elettromagnetici. Algoritmo di Nicholson-Ross.
Testi Adottati
Materiale didattico messo a disposizione dal docente.Bibliografia Di Riferimento
Per approfondimenti di specifici argomenti, è possibile consultare i seguenti testi: Modulo 1 N. Engheta, R.W. Ziolkowki, Metamaterials: Physics and Engineering Explorations, Wiley-IEEE Press, 2006. C. Caloz, T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications, Wiley-IEEE Press, 2006. C. Simovski, S. Tretyakov, An Introduction to Metamaterials and Nanophotonics, Cambridge University Press, 2020. Modulo 2 C.F. Bohren, D.R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1998. E.F. Knott, J.F. Scaeffer, M.T. Tulley, Radar Cross Section, SciTech Publishing, 2004. K. Achouri, C. Caloz, Electromagnetic Metasurfaces: Theory and Applications, Wiley, 2021. Modulo 3 S. Tretyakov, Analytical Modeling in Applied Electromagnetics, Artech House, 2003. T.G. Mackay, A. La Lakhtakia, Modern Analytical Electromagnetic Homogenization with Mathematica, IOP Publishing, 2020. Modulo 4 R.E. Collin, Antennas and Radiowave Propagation, Mcgraw-Hill College, 1985. C. R. Pollock, M. Lipson, Integrated Photonics, Springer, 2003. Modulo 5 D.H. Werner, R. Mittra, Frontiers in Electromagnetics, Wiley-IEEE Press, 2000. Modulo 6 Md. Kawsar Alam, Electrical and Electronic Properties of Materials, IntechOpen, 2019.Modalità Erogazione
Il corso è impartito tramite lezioni teoriche in aula e lo svolgimento di esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.Modalità Valutazione
La verifica dell’apprendimento avviene attraverso una prova orale finalizzata a verificare il livello di comprensione effettiva dei concetti e la capacità degli studenti di applicarli in contesti reali.