Fascio dielettrico artificiale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13793 (2023) Citare questo articolo

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Progettiamo e realizziamo un prisma dielettrico artificiale in grado di orientare un raggio terahertz nello spazio e ne studiamo sperimentalmente il comportamento. Il mezzo dielettrico artificiale è costituito da una pila di piastre metalliche uniformemente distanziate, elettromagneticamente equivalente a una serie di guide d'onda a piastre parallele che operano in tandem. Ad una frequenza operativa di 0,3 THz, osserviamo una deflessione massima del raggio di 29°, limitata dalla precisione dei distanziatori disponibili. Il caricamento a molla dei distanziatori tra le piastre ci consente di scansionare il raggio in modo continuo e dinamico su un intervallo di 5°. Le mappe di intensità del raggio misurate all'ingresso e all'uscita del dispositivo rivelano un'ottima qualità del raggio gaussiano e un'efficienza energetica stimata del 71%. Come possibile applicazione nel mondo reale, integriamo il prisma nel percorso di un collegamento di comunicazione terahertz nello spazio libero e dimostriamo prestazioni inalterate.

I futuri concetti di comunicazione e rilevamento wireless coinvolgono sempre più la banda di frequenza terahertz (0,1–10 THz). Ad esempio, le frequenze terahertz o superiori sono un elemento essenziale delle comunicazioni di prossima generazione (6G), in cui le larghezze di banda di ~ 100 GHz diventano fondamentali per supportare le aspettative di velocità dati terabit al secondo1. Per realizzare pratici sistemi wireless terahertz, numerosi studi di ricerca hanno affrontato le sfide legate all'assorbimento delle onde, alla diffusione, all'elaborazione del segnale digitale, al networking, alla sicurezza, al controllo dell'accesso ai media, allo sviluppo di ricetrasmettitori e altro ancora2,3. Un'altra sfida notevole e fondamentale è la perdita del percorso dello spazio libero (FSPL). A causa della sua scalabilità rispetto al quadrato della frequenza, la FSPL peggiora nettamente nel regime dei terahertz rispetto alle bande di frequenza più basse. Ciò ha un notevole impatto sia sui sistemi di rilevamento (ad esempio radar) che su quelli di comunicazione poiché richiede che i fasci terahertz siano altamente direttivi per raggiungere distanze di propagazione praticamente significative. Di conseguenza, genera nuove sfide che coinvolgono il puntamento del raggio, il jitter e la turbolenza. La scansione attiva del raggio (o direzionamento) è la soluzione offerta, che ispira una miriade di approcci tra cui array a fasi, superfici diffrattive o riflettenti riconfigurabili e strutture dispersive4. Alcuni esempi recenti includono un sistema ottico complesso che utilizza specchi5, due basati su sofisticate metasuperfici6,7, uno basato su una lente di Luneburg8, uno basato su array a fasi9, uno basato su un reticolo di diffrazione10 e uno basato su un prisma stampato in 3D11,12 . Molti di questi funzionano egregiamente, anche se possono soffrire di bassa efficienza, scarsa qualità del raggio, elevata complessità o larghezza di banda limitata, in particolare se offrono controllo dinamico. Nelle applicazioni future come le comunicazioni wireless di prossima generazione, sarà importante che i dispositivi di controllo delle onde evitino attentamente la scarsa efficienza13, le anomalie del fascio (ad esempio lo strabismo) e il rimodellamento della forma d'onda dovuto alla perdita e alla dispersione temporale14.

Tra le soluzioni che coinvolgono strutture dispersive, i dielettrici artificiali (AD) diventano molto attraenti. I dielettrici artificiali sono mezzi artificiali che imitano le proprietà dei mezzi dielettrici presenti in natura, o addirittura manifestano proprietà che generalmente non possono apparire in natura15. Ad esempio, l'indice di rifrazione, che solitamente ha un valore maggiore dell'unità, può avere un valore inferiore all'unità in un AD. Studi recenti16,17 hanno dimostrato che gli AD forniscono potenti vie per il controllo delle onde terahertz, analogamente ai metamateriali, ma con vantaggi pratici come perdite di assorbimento notevolmente ridotte e complessità di fabbricazione significativamente ridotta. Queste proprietà si manifestano nei nuovi progetti di isolatori terahertz e divisori di fascio basati su AD le cui specifiche competono anche con dispositivi a onde ottiche maturi17.

Sfruttando questo concetto di AD, qui progettiamo e fabbrichiamo un prisma dinamico a scansione del fascio per la regione dei terahertz e ne indaghiamo sperimentalmente il comportamento. Rispetto alla maggior parte degli scanner a fascio, il nostro dispositivo AD è molto più semplice, garantendo una qualità del raggio superiore, una maggiore efficienza energetica e una bassa dispersione temporale. Prevediamo che questo lavoro sarà importante per il progresso delle comunicazioni wireless, dell’imaging e del telerilevamento terahertz. Nel caso delle comunicazioni wireless, le onde terahertz sono sempre più pronte per essere adottate nei collegamenti punto-punto, come le applicazioni di backhaul18. In tali scenari, la capacità di indirizzare in modo ottimale un raggio del trasmettitore verso la posizione del ricevitore è fondamentale, soprattutto se il ricevitore è mobile o se il canale è affetto da jitter.