Metamaterials AND Metasurfaces FOR Wave Engineering

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. 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: Introduzione alle metasuperfici.
Introduzioni alle metasuperfici. Metasuperfici con risposta elettrica. Metasuperfici con risposta elettrica e magnetica. Metasuperfici per riflessione e rifrazione anomala. Metasuperfici a microonde. 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 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 3: Invisibilità elettromagnetica.
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 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.

Conoscenza delle proprietà fondamentali del campo elettromagnetico. Conoscenza dei rudimenti della teoria della propagazione del campo elettromagnetico e della teoria delle antenne. Conoscenza dei concetti di base sull’interazione tra campo elettromagnetico e materia.

Materiale didattico messo a disposizione dal docente.

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
S. Tretyakov and C. Simovski, An Introduction to Metamaterials and Nanophotonics, Cambridge University Press, 2020.
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 3
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 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.

Il corso è impartito tramite lezioni teoriche in aula e lo svolgimento di esercitazioni in ambiente di calcolo simbolico e numerico.

Frequenza facoltativa ma altamente raccomandata.

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova orale finale oppure, in alternativa, mediante due prove scritte parziali (intermedia e finale), che sostituiscono la prova orale.

La prova orale prevede almeno tre domande sugli argomenti del corso. Le due prove scritte parziali, relative alle rispettive parti del programma, hanno ciascuna una durata di 60 minuti e prevedono tre domande a risposta aperta, da svolgere entro uno spazio assegnato di circa una pagina per domanda.

Entrambe le modalità prevedono inoltre lo svolgimento di un progetto numerico finalizzato a verificare la capacità di applicare le conoscenze acquisite a problemi di analisi e progettazione elettromagnetica.

La valutazione tiene conto della completezza e correttezza delle conoscenze, della capacità di sintesi e di elaborazione critica, della pertinenza delle risposte, della capacità di collegare i diversi argomenti, del rigore tecnico-scientifico e della chiarezza espositiva.

Criteri di graduazione dei voti: alla prova orale sono attribuiti fino a 26 punti, mentre alle due prove parziali sono attribuiti rispettivamente fino a 12 e 14 punti. Il progetto numerico contribuisce alla valutazione finale con un massimo di 5 punti, assegnati in base alla correttezza dell'implementazione, alla qualità dei risultati e alla loro interpretazione critica. Il punteggio complessivo è quindi pari a un massimo di 31 punti, corrispondenti a 30/30 e lode. La soglia di superamento dell'esame è fissata a 18/30.