I METAMATERIALI E IL MANTELLO DELL'INVISIBILITÀ

Uno dei sogni proibiti dell'umanità è stato quello di diventare invisibili per certi periodi di tempo, alla stregua di Harry Potter, che con il suo "mantello dell'invisibilità" (invisibility cloak) riesce a sparire dalla vista delle persone finché lo indossa.



Come ci racconta Michio Kaku nel libro "Fisica dell'impossibile":

"L'invisibilità è forse uno dei concetti più antichi della mitologia antica. Fin dalle prime testimonianze storiche scritte, le persone che si sono trovate da sole in una notte da brivido sono state spaventate dagli spiriti invisibili dei morti, dalle anime dei trapassati in agguato nel buio. Perseo, l'eroe greco, riuscì a sconfiggere la malvagia Medusa grazie a un elmo che lo rendeva invisibile. I generali hanno sempre sognato un dispositivo di occultamento capace di conferire l'invisibilità, così da poter infiltrarsi indisturbati nelle linee del nemico e coglierlo di sorpresa...L'invisibilità giocava un ruolo di primo piano nella teoria etica di Platone. Nel suo capolavoro filosofico, la Repubblica, Platone racconta il mito dell'anello di Gige. Gige, un pastore della Lidia onesto ma povero, entra in una caverna nascosta, e vi scopre una tomba contenente il corpo di un uomo con un anello d'oro al dito. Il pastore scopre che l'anello ha la capacità di renderlo invisibile. Ben presto il potere dell'anello travolge Gige, il quale, introdottosi nel palazzo del re, ne seduce la moglie, la convince ad assassinare il marito e usurpa il trono della Lidia. La morale che Platone intendeva trarre da questa storia è che nessun uomo è in grado di resistere alla tentazione di poter rubare e uccidere a piacere. Tutti gli esseri umani sono corruttibili... Un uomo può apparire virtuoso in pubblico per conservare la propria reputazione, ma non appena gli viene concesso il dono dell'invisibilità la tentazione di approfittarne è irresistibile. C'è chi ritiene che la storia abbia ispirato la trilogia di J.R.R. Tolkien Il Signore degli anelli, in cui si parla di un anello che rende invisibile chi lo porta ma che è anche fonte di malvagità."

Dopo questo interessante excursus storico sul concetto di invisibilità, ci poniamo una domanda: è veramente impossibile realizzare un mantello dell'invisibilità?
La risposta è negativa!
Essi sono stati recentemente realizzati sfruttando le proprietà di alcuni materiali, denominati metamateriali, in grado di piegare la luce.
Ma cosa sono nello specifico i metamateriali?
Teorizzati per la prima volta in un articolo del 1967 redatto dal fisico russo Victor Veselago, i metamateriali erano ritenuti irrealizzabili in quanto violavano i principi classici della fisica e in particolare dell'ottica.
Per quale motivo tali sostanze violano le leggi dell'ottica?
Perché la loro caratteristica primaria è quella di avere un indice di rifrazione NEGATIVO!
La rifrazione è quel fenomeno che determina la deviazione dei raggi luminosi quando passano da un mezzo ad un altro (ad esempio dall'aria all'acqua).
Tale fenomeno spiega perché, ad esempio, una cannuccia immersa in un bicchiere d'acqua appare spezzata.
La legge fondamentale che concerne la rifrazione è denominata Legge di Snell-Descartes.
Essa prende il nome dal matematico olandese Willebrord Snellius, nonostante questi non l'abbia mai pubblicata.
Tuttavia, fu René Descartes (Cartesio) a fornire alle stampe una dimostrazione di tale legge nel 1637.
Questa legge stabilisce l'entità della deviazione (la rifrazione, appunto) dei raggi luminosi quando passano da una sostanza all'altra.
La formulazione matematica della Legge di Snell-Descartes è:



dove:

- sin î è il seno dell'angolo di incidenza;
- sin ȓ è il seno dell'angolo di rifrazione;
- n2: indice di rifrazione del mezzo 2;
- n1: indice di rifrazione del mezzo 1.

Dunque, il rapporto tra i seni degli angoli di incidenza e rifrazione è pari al rapporto tra gli indici di rifrazione delle 2 sostanze attraverso cui passa il raggio luminoso.
n2/n1 è detto indice di rifrazione relativo del mezzo 2 rispetto al mezzo 1.
Se esso risulta maggiore di 1 si dice che il mezzo 2 è più rifrangente del mezzo 1 o, anche, che è otticamente più denso.
Ecco un'immagine illustrativa della Legge di Snell-Descartes:



Da questa legge capiamo anche che ogni sostanza trasparente possiede un proprio indice di rifrazione assoluto n.
n è definito da tale relazione:

n = c/v

dove:

- c = velocità della luce nel vuoto (299.792.458 m/s);
- v = velocità della luce nel mezzo considerato.

Per il vuoto abbiamo v = c, per cui l'indice di rifrazione nel vuoto è n = 1.
Per tutti i mezzi trasparenti v è minore di c, per cui essi hanno un valore n maggiore di 1.
Ad esempio, l'indice di rifrazione dell'aria è 1,0003, quello del vetro è 1,5, quello del diamante 2,5 e così via.
Adesso capiamo perché i metamateriali sono così singolari: il loro indice di rifrazione è negativo, ma secondo quello che abbiamo descritto sopra, ciò sarebbe impossibile!
Ebbene, le leggi della fisica vanno riscritte, poiché è vero che in natura non si trovano materiali con indice di rifrazione negativo, ma essi possono essere fabbricati in laboratorio.
La stessa Legge di Snell-Descartes risulta ancora valida, ma, avendo n2 negativo, i raggi luminosi sono rifratti sullo stesso lato della normale (retta perpendicolare alla superficie di separazione fra i 2 mezzi) penetrante il materiale, come mostra l'immagine seguente:



I metamateriali non determinano solo variazioni inerenti la legge di Snell-Descartes, ma pure riguardo l'effetto Doppler.
Generalmente, a causa dell'effetto Doppler, quando, ad esempio, ascoltiamo il suono dell'ambulanza che passa, nel momento in cui si avvicina a noi, la lunghezza d'onda diminuisce e la frequenza del suono aumenta (il suono è più acuto), mentre quando si allontana, la lunghezza d'onda aumenta e di conseguenza, la frequenza diminuisce (il suono è più grave).
Nel caso dei metamateriali si verifica l'esatto opposto: una sorgente di luce, muovendosi verso l'osservatore sembra ridurre la sua frequenza!
Adesso veniamo al nocciolo della questione: perché i metamateriali possono rendere un oggetto invisibile?
La risposta la fornisce sempre Michio Kaku in Fisica dell'Impossibile:

"Se si potesse controllare l'indice di rifrazione all'interno di un metamateriale in modo tale da portare la luce a muoversi intorno a un oggetto, quest'ultimo diventerebbe invisibile. Affinché ciò sia possibile il metamateriale deve avere indice di rifrazione negativo...Per creare un metamateriale si inseriscono in una data sostanza componenti microscopici che deviano le onde elettromagnetiche in modo non convenzionale. Gli scienziati della Duke University (per esempio), nel 2006, misero piccolissimi circuiti elettrici all'interno di una serie di strisce di rame concentriche. Il risultato fu una combinazione complessa di ceramica, teflon, insiemi compositi di fibre e componenti metallici. Questi componenti microscopici presenti all'interno del rame permettono di deflettere la radiazione elettromagnetica, modificandone la traiettoria in maniera particolare."

Sfruttando le fantasmagoriche proprietà dei metamateriali, sono stati effettivamente realizzati mantelli dell'invisibilità, pur con il neo di non essere in grado di far scomparire una persona, ma solamente oggetti dell'ordine di qualche millimetro o centimetro!
Tuttavia, forse in futuro il sogno di un mantello come quello di Harry Potter potrebbe non restare un'illusione bensì divenire realtà!