Thermally reconfigurable Rubik’s-cube-inspired V–VO₂ hyperbolic metamaterial absorber for dual-band absorption and spectral coding
Questo articolo presenta un assorbitore metamateriale iperbolico a base di V–VO₂ termicamente riconfigurabile che presenta un design simmetrico ispirato al Cubo di Rubik, il quale raggiunge un assorbimento a doppia banda a banda larga stabile tra 16 e 40 GHz e consente la codifica spettrale a 2 bit attraverso lo switch termico indipendente delle unità nelle bande K e Ka.
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Nel mondo invisibile del radar e delle comunicazioni wireless, gli oggetti sono spesso definiti non da ciò che emettono, ma da ciò che riflettono. Quando un fascio radar colpisce una superficie, parte dell'energia rimbalza rivelando la presenza dell'oggetto, mentre il resto viene assorbito o disperso. Per l'invisibilità militare (stealth), l'obiettivo è inghiottire queste onde in arrivo così completamente da far scomparire l'oggetto dallo schermo del radar. Per la comunicazione e l'identificazione, tuttavia, l'obiettivo è l'opposto: controllare esattamente quanta energia venga riflessa e quando, trasformando un oggetto passivo in un segnale capace di trasportare informazioni. Raggiungere sia un ampio assorbimento che un controllo preciso è difficile perché la maggior parte dei materiali che assorbono bene lo fanno solo a una frequenza singola e stretta, come una radio sintonizzata su una sola stazione. Per operare su un intervallo di frequenze più ampio, come le bande utilizzate per i moderni radar e la diagnostica di sicurezza, gli ingegneri devono progettare strutture in grado di intrappolare onde di molte dimensioni diverse simultaneamente, senza perdere la propria efficacia quando cambia l'angolo dell'onda incidente.
Un team di ricercatori dell'Istituto di Tecnologia di Harbin ha proposto un nuovo modo per risolvere questo problema combinando due idee distinte: una struttura che imita la geometria di un Cubo di Rubik e un materiale che cambia la propria natura con il calore. Hanno progettato un assorbitore di microonde che opera su due intervalli specifici ad alta frequenza, noti come banda K e banda Ka. Il nucleo del loro design è una piramide composta da strati alternati di metallo di vanadio e biossido di vanadio, un materiale che può passare da isolante elettrico a conduttore quando viene riscaldato. Disponendo questi strati in una piramide in cui la larghezza di ogni strato cambia secondo un modello specifico e non lineare, i ricercatori hanno creato un dispositivo che assorbe più del 96% delle onde in arrivo nella banda K e oltre il 98% nella banda Ka. Questo alto livello di assorbimento è ottenuto rallentando le onde mentre viaggiano attraverso gli strati, dando al materiale più tempo per convertire l'energia dell'onda in calore.
Per rendere il dispositivo utile nelle applicazioni reali, i ricercatori dovevano ampliare ulteriormente l'assorbimento e garantire che funzionasse indipendentemente dalla direzione da cui proveniva l'onda o dalla sua polarizzazione. Posizionare semplicemente due assorbitori diversi uno accanto all'altro creava un problema: il dispositivo diventava sensibile all'orientamento dell'onda incidente, assorbendo bene in una direzione ma scarsamente in un'altra. Per risolvere il problema, il team ha disposto le unità assorbenti in un motivo simmetrico a forma di croce, ispirato alla faccia di un Cubo di Rubik. Questa configurazione, che posiziona un'unità centrale per la banda K circondata da quattro unità per la banda Ka, ha ripristinato la simmetria della struttura. Nelle simulazioni al computer, questa disposizione ha permesso al dispositivo di assorbire più dell'80% dell'energia in arrivo attraverso un intervallo continuo da 16 a 40 gigahertz. Fondamentalmente, questa prestazione è rimasta stabile anche quando le onde colpivano la superficie con un angolo fino a 50 gradi, un miglioramento significativo rispetto alle configurazioni lineari più semplici.
L'aspetto più innovativo di questo lavoro è la capacità di cambiare il comportamento del dispositivo su richiesta. Poiché il biossido di vanadio passa da isolante a metallo quando viene riscaldato, i ricercatori possono controllare se l'unità della banda K o l'unità della banda Ka assorbe l'energia o la riflette. Riscaldando o raffreddando queste sezioni indipendentemente, il dispositivo può passare tra quattro stati distinti: assorbire entrambe le bande, assorbire solo la banda K, assorbire solo la banda Ka o non assorbire nessuna delle due. Questa capacità trasforma l'assorbitore in un interruttore a due bit che può codificare informazioni. I ricercatori suggeriscono che ciò potrebbe essere utilizzato in un sistema di identificazione semi-passivo, in cui un aeromobile o un veicolo amico potrebbe essere identificato da una stazione radar non inviando un potente segnale radio, ma cambiando sottilmente il modo in cui riflette il proprio fascio radar. Il radar invierebbe un impulso, il veicolo riscalderebbe parti specifiche del suo rivestimento per cambiare il proprio schema di riflessione e il radar leggerebbe il segnale risultante per confermare l'identità.
Lo studio, che si basa su dettagliate simulazioni al computer piuttosto che su esperimenti fisici, dimostra che questo design riconfigurabile termicamente è teoricamente solido. Le simulazioni mostrano che i quattro diversi stati producono segnali chiaramente distinguibili, consentendo un metodo affidabile per la codifica dei dati. Sebbene la sfida fisica del riscaldamento e del raffreddamento di questi materiali abbastanza rapidamente per la comunicazione in tempo reale rimanga aperta, il design offre una nuova strada per la creazione di superfici intelligenti. Queste superfici potrebbero un giorno servire a duplici scopi: agire come rivestimenti stealth efficaci per nascondere gli oggetti dal rilevamento e, contemporaneamente, funzionare come segnali silenziosi e a bassa potenza per identificare gli amici presso i sistemi radar amichevoli senza rivelarne la posizione agli nemici.
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