Unisannio: metamateriali come computer analogici

Redazione Controcampus 10 Gennaio 2014

Università degli Studi del SANNIO di BENEVENTO - Ricerca delle Università della Pennsylvania, del Texas ad Austin e Unisannio getta basi per l’utilizzo di metamateriali come computer analogiciIl settore di ricerca sui “metamateriali” ha concepito e sviluppato strutture con capacità senza precedenti, come lenti piatte, mantelli d’invisibilità, e dispositivi ottici “meta-tronici” in grado di manipolare la luce in maniera simile a come i circuiti elettronici manipolano il flusso di elettroni.

Adesso, questa tecnologia potrebbe favorire la rinascita del calcolo analogico. Uno studio effettuato da ricercatori delle Università della Pennsylvania, del Texas ad Austin e dell’Unisannio mostra che i metamateriali possono essere progettati in modo da eseguire “calcolo fotonico” su segnali luminosi che li attraversano.

Un segnale luminoso, descritto da un’onda funzione di spazio e tempo, ha un profilo spaziale che può essere interpretato come una curva in un piano Cartesiano. Il metamateriale teorico progettato dai ricercatori è in grado di eseguire delle specifiche operazioni matematiche su tale profilo, come ad esempio calcolare la derivata prima o seconda, mentre l’onda attraversa il materiale.

Così, ad esempio, un’onda luminosa all’ingresso di questo materiale genererebbe all’uscita la derivata del profilo dell’onda stessa. In maniera analoga, è possibile progettare metamateriali in grado di eseguire altri tipi di operazioni matematiche, come ad esempio integrazione e convoluzione.

La visualizzazione e la manipolazione di questo tipo di segnali luminosi sono operazioni molto comuni in applicazioni all’elaborazione di immagini, sebbene vengano tipicamente effettuate in seguito alla conversione della luce in segnali elettronici sotto forma di informazione digitale. I metamateriali “computazionali” proposti dai ricercatori potrebbero eseguire tali operazioni in maniera istantanea sul segnale luminoso (si pensi alla luce che attraversa la lente di una macchina fotografica) senza bisogno di convertirlo in segnali elettronici.

Lo studio congiunto è stato guidato dal Prof. Nader Engheta dell’Università della Pennsylvania, e ha visto la partecipazione del Dr. Alexandre Silva (Università della Pennsylvania), del Dr. Francesco Monticone e del Prof. Andrea Alù dell’Università del Texas ad Austin, e dei Proff. Giuseppe Castaldi e Vincenzo Galdi del Dipartimento di Ingegneria dell’Unisannio.

Lo studio, finanziato in parte dall’US Office of Naval Research, è stato pubblicato nella rivista Science.

La teoria sviluppata dai ricercatori tra cui Unisannio affonda le radici nel calcolo analogico. Gli antenati dei computer moderni erano dei calcolatori meccanici che utilizzavano elementi come regoli, cremagliere e macchine a tamburo per rappresentare, memorizzare e manipolare le informazioni numeriche. Negli esempi più complessi, un utente poteva definire tramite un quadrante o una rotella i valori di ingresso delle grandezze da calcolare, e poi azionare una manopola per un certo numero di volte. Opportuni sistemi a ingranaggi erano in grado di trasformare i valori iniziali in maniera graduale fino alla generazione del risultato.

A metà del XX secolo, i computer elettronici analogici rimpiazzarono quelli meccanici, sostituendo ingranaggi e tamburi con resistenze, condensatori, induttori e amplificatori. I valori iniziali erano impostati attraverso tensioni e correnti elettriche, e i risultati potevano essere letti in termini di variazioni di tensione e corrente all’uscita di tali circuiti dedicati. I computer analogici (sia meccanici sia elettronici) erano particolarmente adatti al calcolo di tabelle dati di dimensioni elevate. Laddove il calcolo manuale avrebbe richiesto l’esecuzione tediosa di passi ripetitivi per ogni elemento della tabella (con ogni passo suscettibile di errore umano), i computer analogici erano in grado di eseguire tali passi in parallelo, producendo tutti i risultati contemporaneamente.

L’avvento del primo computer digitale (ENIAC) fu rivoluzionario. L’astrazione dei dati in ingresso consentiva ai computer digitali di essere polivalenti: potevano essere riprogrammati per eseguire diversi tipi di elaborazione, a differenza dei loro predecessori analogici che erano invece vincolati all’operazione per cui erano stati fabbricati. Sebbene i computer analogici presentassero ancora il vantaggio di non richiedere la conversione, quantizzazione e digitalizzazione dell’informazione da elaborare, le loro architetture meccaniche ed elettroniche non erano in grado di competere con gli enormi progressi nel campo dei circuiti elettronici integrati che hanno consentito ai computer digitali una rapida miniaturizzazione e incremento della velocità.

La sostituzione degli ingranaggi meccanici e dei circuiti elettrici con materiali ottici operanti su segnali luminosi potrebbe portare nuovamente in auge i computer analogici, ma stavolta alle micro- e nano-scale.

“Paragonati a quelli digitali, questi computer analogici erano ingombranti, lenti e assorbivano molta potenza”, ha spiegato il Prof. Engheta. “Ma applicando gli stessi concetti ai metamateriali ottici, un giorno potremmo essere in grado di fabbricarli alle micro- e nano-scale, e farli funzionare quasi alla velocità della luce utilizzando bassa potenza”.

“Lo spessore delle nostre strutture può essere confrontabile con la lunghezza d’onda o anche minore”, ha aggiunto il Prof. Galdi dell’Unisannio. “L’implementazione di funzionalità simili attraverso sistemi ottici convenzionali, come lenti e filtri, richiederebbe strutture molto più spesse”.

I metamateriali sono compositi di materiali naturali, ma sono progettati in modo tale da manipolare le onde elettromagnetiche in modi che trascendono la semplice somma dei singoli costituenti. Oggetti costituiti da materiali naturali hanno atomi e molecole disposti secondo determinate strutture dettate dalle leggi della fisica e chimica. Tali strutture conferiscono le proprietà elettromagnetiche, che a loro volta determinano come i materiali influenzano le proprietà delle onde. Introducendo un altro livello di organizzazione, attraverso strutture artificiali di più materiali su scale di lunghezze più piccole delle onde che le attraversano (come ad esempio delle particelle d’oro nanoscopiche in un materiale vetroso), i progettisti di metamateriali sono in grado di manipolare le onde con modalità che sarebbe impossibile ottenere utilizzando semplici superfici o lenti.

Ad esempio, un cucchiaio immerso in un bicchiere d’acqua appare piegato perché l’acqua rifrange (“piega”) la luce. La luce che viaggia dalla parte immersa del cucchiaio verso l’osservatore ha un angolo di rifrazione diverso rispetto a quella che viaggia dalla parte superiore. A differenza dei materiali naturali, i metamateriali possono essere progettati in modo da produrre angoli di rifrazione negativi. Se l’acqua nel bicchiere esibisse una rifrazione negativa, l’immagine della parte immersa del cucchiaio apparirebbe non solo piegata, ma anche rivoltata (come se vista allo specchio).

Manipolazioni multiple di questo tipo possono essere combinate o eseguite in sequenza, consentendo ai ricercatori nel campo dei metamateriali di cambiare la forma delle onde in modi anche molto complessi.

Nella fase iniziale, i ricercatori hanno eseguito una simulazione al computer di un metamateriale ideale che fosse in grado di cambiare perfettamente il profilo dell’onda incidente trasformandolo in quello della sua derivata. Avendo questo metamateriale ideale come guida, i ricercatori hanno poi vincolato le simulazioni a materiali costituenti (come silicio e ossido di zinco drogato con alluminio) potenzialmente adatti alle tecniche di fabbricazione che ritenevano fisicamente implementabili.

“I risultati delle simulazioni nei due casi erano quasi identici, e quindi abbiamo buone speranze di riprodurre sperimentalmente i risultati in futuro”, ha evidenziato il Prof. Engheta.

Una volta fabbricati, questi metamateriali potrebbero essere utilizzati per eseguire specifiche operazioni che meglio si prestano ad un approccio analogico. Calcolare la derivata di una funzione algebrica, ad esempio, è un’operazione che i computer digitali tipicamente eseguono mediante “forza bruta”, essenzialmente scandendo la curva e calcolando la differenza tra ogni paio di punti vicini. Nonostante gli attuali computer digitali siano in grado di scandire molto velocemente dei profili bi-dimensionali, il tempo necessario per completare l’operazione aumenta all’aumentare delle dimensioni del profilo. Un metamateriale computazionale progettato per calcolare le derivate su un segnale luminoso potrebbe invece completare l’operazione quasi istantaneamente a prescindere dalle dimensioni del profilo, giacché opererebbe su tutti i punti contemporaneamente.

Un’applicazione particolarmente adatta al calcolo analogico che potrebbe utilizzare direttamente questo tipo di metamateriali computazionali è la rilevazione di contorni (“edge-detection”), una tecnica di elaborazione di immagini sempre più comune che consente ai software di rilevare facce e identificare oggetti nelle foto.

“Quando si esegue la rilevazione di contorni su un’immagine con tecniche di elaborazione attualmente disponibili lo si fa in maniera digitale, pixel a pixel”, ha spiegato il Prof. Engheta. “Tipicamente, si scandisce un’immagine e si confrontano tutti i pixel vicini, e quando si osserva una grossa differenza tra due pixel la si caratterizza come contorno. Con questi metamateriali computazionali in futuro magari si potrà eseguire l’operazione in contemporanea: inviando in ingresso la luce proveniente dall’immagine stessa, si potrebbe ottenere in uscita il profilo con i contorni rilevati”.

“Grazie ai recenti sviluppi nelle nanotecnologie”, ha aggiunto il Prof. Alù, “siamo oggi in grado di controllare la propagazione della luce attraverso un materiale in modi senza precedenti, e realizzare funzionalità che fino a pochi anni fa sarebbero state inconcepibili. Con questo studio abbiamo gettato le basi per progettare metamateriali in grado di eseguire una vasta gamma di operazioni matematiche su segnali luminosi che li attraversano”.

Le ricerche future prevedono la fabbricazione e validazione sperimentale in laboratorio di questi metamateriali computazionali. In caso di successo, i ricercatori cercheranno di progettare metamateriali in grado di eseguire altre operazioni matematiche e perfino di risolvere equazioni. Codificando opportunamente il segnale d’ingresso in termini delle variabili rispetto a cui risolvere l’equazione, e poi riportando il segnale di uscita all’ingresso, un metamateriale così concepito opererebbe sulla funzione incognita, e il profilo di onda risultante conterrebbe le variabili desiderate.

“Il Gruppo di Elettromagnetismo del Dipartimento di Ingegneria è attivo da circa dieci anni nel settore dei metamateriali”, ha commentato il Prof. Galdi. “La stretta collaborazione con i Gruppi guidati dai Proff. Engheta e Alù ha già prodotto importanti risultati pubblicati in riviste ad alto fattore di impatto. La pubblicazione di risultati nella rivista Science rappresenta per molti versi un punto di arrivo, ma siamo consapevoli che il carattere “visionario” di questo studio lo rende anche un nuovo punto di partenza. I nostri risultati indicano una direzione finora largamente inesplorata nell’utilizzo di metamateriali, che va ben oltre l’elettromagnetismo e potrebbe condurre a nuovi paradigmi di calcolo”.

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La StoriaControcampus è un periodico d’informazione universitaria, tra i primi per diffusione.Ha la sua sede principale a Salerno e molte altri sedi presso i principali atenei italiani.Una rivista con la denominazione Controcampus, fondata dal ventitreenne Mario Di Stasi nel 2001, fu pubblicata per la prima volta nel Ottobre 2001 con un numero 0. Il giornale nei primi anni di attività non riuscì a mantenere una costanza di pubblicazione. Nel 2002, raggiunta una minima possibilità economica, venne registrato al Tribunale di Salerno. Nel Settembre del 2004 ne seguì la registrazione ed integrazione della testata www.controcampus.it. Dalle origini al 2004Controcampus nacque nel Settembre del 2001 quando Mario Di Stasi, allora studente della facoltà di giurisprudenza presso l’Università degli Studi di Salerno, decise di fondare una rivista che offrisse la possibilità a tutti coloro che vivevano il campus campano di poter raccontare la loro vita universitaria, e ad altrettanta popolazione universitaria di conoscere notizie che li riguardassero.Il primo numero venne diffuso all’interno della sola Università di Salerno, nei corridoi, nelle aule e nei dipartimenti. Per il lancio vennero scelti i tre giorni nei quali si tenevano le elezioni universitarie per il rinnovo degli organi di rappresentanza studentesca. In quei giorni il fermento e la partecipazione alla vita universitaria era enorme, e l’idea fu proprio quella di arrivare ad un numero elevatissimo di persone. Controcampus riuscì a terminare le copie date in stampa nel giro di pochissime ore.Era un mensile. La foliazione era di 6 pagine, in due colori, stampate in 5.000 copie e ristampa di altre 5.000 copie (primo numero). Come sede del giornale fu scelto un luogo strategico, un posto che potesse essere d’aiuto a cercare fonti quanto più attendibili e giovani interessati alla scrittura ed all’ informazione universitaria. La prima redazione aveva sede presso il corridoio della facoltà di giurisprudenza, in un locale adibito in precedenza a magazzino ed allora in disuso. La redazione era quindi raccolta in un unico ambiente ed era composta da un gruppo di ragazzi, di studenti (oltre al direttore) interessati all’idea di avere uno spazio e la possibilità di informare ed essere informati. Le principali figure erano, oltre a Mario Di Stasi:Giovanni Acconciagioco, studente della facoltà di scienze della comunicazione Mario Ferrazzano, studente della facoltà di Lettere e FilosofiaIl giornale veniva fatto stampare da una tipografia esterna nei pressi della stessa università di Salerno.Nei giorni successivi alla prima distribuzione, molte furono le persone che si avvicinarono al nuovo progetto universitario, chi per cercarne una copia, chi per poter partecipare attivamente. Stava per nascere un nuovo fenomeno mai conosciuto prima, Controcampus, “il periodico d’informazione universitaria”. “L’università gratis, quello che si può dire e quello che altrimenti non si sarebbe detto”, erano questi i primi slogan con cui si presentava il periodico, quasi a farne intendere e precisare la sua intenzione di università libera e senza privilegi, informazione a 360° senza censure.Il giornale, nei primi numeri, era composto da una copertina che raccoglieva le immagini (foto) più rappresentative del mese, un sommario e, a seguire, Campus Voci, la pagina del direttore. La quarta pagina ospitava l’intervista al corpo docente e o amministrativo (il primo numero aveva l’intervista al rettore uscente G. Donsi e al rettore in carica R. Pasquino). Nelle pagine successive era possibile leggere la cronaca universitaria. A seguire uno spazio dedicato all’arte (poesia e fumettistica). I caratteri erano stampati in corpo 10.Nel Marzo del 2002 avvenne un primo essenziale cambiamento: venne creato un vero e proprio staff di lavoro, il direttore si affianca a nuove figure: un caporedattore (Donatella Masiello) una segreteria di redazione (Enrico Stolfi), redattori fissi (Antonella Pacella, Mario Bove). Il periodico cambia l’impaginato e acquista il suo colore editoriale che lo accompagnerà per tutto il percorso: il blu. Viene creata una nuova testata che vede la dicitura Controcampus per esteso e per riflesso (specchiato), a voler significare che l’informazione che appare è quella che si riflette, quello che, se non fatto sapere da Controcampus, mai si sarebbe saputo (effetto specchiato della testata). La rivista viene stampa in una tipografia diversa dalla precedente, la redazione non aveva una tipografia propria, ma veniva impaginata (un nuovo e più accattivante impaginato) da grafici interni alla redazione. Aumentarono le pagine (24 pagine poi 28 poi 32) e alcune di queste per la prima volta vengono dedicate alla pubblicità. Viene aperta una nuova sede, questa volta di due stanze.Nel Maggio 2002 la tiratura cominciò a salire, fu l’anno in cui Mario Di Stasi ed il suo staff decisero di portare il giornale in edicola ad un prezzo simbolico di € 0,50.Il periodico era cosi diventato la voce ufficiale del campus salernitano, i temi erano sempre più scottanti e di attualità. Numero dopo numero l’obbiettivo era diventato non più e soltanto quello di informare della cronaca universitaria, ma anche quello di rompere tabù. Nel puntuale editoriale del direttore si poteva ascoltare la denuncia, la critica, la voce di migliaia di giovani, in un periodo storico che cominciava a portare allo scoperto i risultati di una cattiva gestione politica e amministrativa del Paese e mostrava i primi segni di una poi calzante crisi economica, sociale ed ideologica, dove i giovani venivano sempre più messi da parte. Disabilità, corruzione, baronato, droga, sessualità: sono questi alcuni dei temi che il periodico affronta.Nel 2003 il comune di Salerno viene colto da un improvviso “terremoto” politico a causa della questione sul registro delle unioni civili, “terremoto” che addirittura provoca le dimissioni dell’assessore Piero Cardalesi, favorevole ad una battaglia di civiltà (cit. corriere). Nello stesso periodo Controcampus manda in stampa, all’insaputa dell’accaduto, un numero con all’interno un’ inchiesta sulla omosessualità intitolata “dirselo senza paura” che vede in copertina due ragazze lesbiche. Il fatto giunge subito all’attenzione del caporedattore G. Boyano del corriere del mezzogiorno. È cosi che Controcampus entra nell’attenzione dei media, prima locali e poi nazionali.Nel 2003 Mario Di Stasi avverte nell’aria segnali di cambiamento sia della società che rispetto al periodico Controcampus. Pensa allora di investire ulteriormente sul progetto, in redazione erano presenti nuove figure: Ernesto Natella, Laura Muro, Emilio C. Bertelli, Antonio Palmieri. Il periodico aumenta le pagine, (44 pagine e poi 60 pagine), è stampato interamente a colori, la testata è disegnata più piccola e posizionata al lato sinistro della prima pagina. La redazione si trasferisce in una nuova sede, presso la palazzina E.di.su del campus di Salerno, questa volta per concessione dell’allora presidente dell’E.di.su, la Professoressa Caterina Miraglia che crede in Controcampus. Nello stesso anno Controcampus per la prima volta entra nel mondo del Web e a farne da padrino è Antonio Palmieri, allora studente della facoltà di Economia, giovane brillante negli studi e nelle sue capacità web. Crea un portale su piattaforma CMS realizzato in asp.È la nascita di www.controcampus.it e l’inizio di un percorso più grande. Controcampus è conosciuto in tutti gli atenei italiani, grazie al rapporto e collaborazione che si instaura con gli uffici stampa di ogni ateneo, grazie alla distribuzione del cartaceo ed alla nuova iniziativa manageriale di aprire sedi - redazioni in tutta Italia.Nel 2004 Mario Di Stasi, Antonio Palmieri, Emilio C. Bertelli e altri redattori del periodico controcampus vengono eletti rappresentanti di facoltà. Questo non permette di sporcare l’indirizzo e linea editoriale di Controcampus, che resta libera da condizionamenti di partito, ma offre la possibilità di poter accedere a finanziamenti provenienti dalla stessa Università degli Studi di Salerno che, insieme alla pubblicità, permettono di aumentare gli investimenti del gruppo editoriale. Ciò nonostante Controcampus rispetto alla concorrenza doveva contare solamente sulle proprie forze.La forza del giornale stava nella fiducia che i lettori avevano ormai riposto nel periodico. I redattori di Controcampus diventarono 15, le redazioni nelle varie università italiane aumentavano. Tutto questo faceva si che il periodico si consolidasse, diventando punto di riferimento informativo non soltanto più dei soli studenti ma anche di docenti, personale e politici, interessati a conoscere l’informazione universitaria. Gli stessi organi dell’istruzione quali Miur e Crui intrecciavano rapporti di collaborazione con il periodico. Dal 2005 al 2009A partire dal 2005 Controcampus e www.controcampus.it ospitano delle rubriche fisse. Le principali sono:Università, la rubrica dedicata alle notizie istituzionali Uni Nord, Uni Centro e Uni Sud, rubriche dedicate alla cronaca universitariaCominciano inoltre a prender piede informazioni di taglio più leggero come il gossip che anche nel contesto universitario interessa. La redazione di Controcampus intuisce che il gossip può permettergli di aumentare il numero di lettori e fedeli e nasce cosi da controcampus anche una iniziativa che sarà poi riproposta ogni anno, Elogio alla Bellezza, un concorso di bellezza che vede protagonisti studenti, docenti e personale amministrativo.Dal 2006 al 2009 la rivista si consolida ma la difficoltà di mantenete una tiratura nazionale si fa sentire anche per forza della crisi economia che investe il settore della carta stampata. Dal 2009 ad oggiNel maggio del 2009 Mario Di Stasi, nel tentativo di voler superare qualsiasi rischio di chiusura del periodico e colto dall’interesse sempre maggiore dell’informazione sul web (web 2.0 ecc), decide di portare l’intero periodico sul web, abbandonando la produzione in stampa. Nasce un nuovo portale: www.controcampus.it su piattaforma francese Spip. Questo se da un lato presenta la forza di poter interessare e raggiungere un vastissimo pubblico (le indicizzazioni lo dimostrano), dall’altro lato presenta subito delle debolezze dovute alla cattiva programmazione dello stesso portale.Nel 2012 www.controcampus.it si rinnova totalmente, Mario Di Stasi porta con se un nuovo staff: Pasqualina Scalea (Caporedattore), Dora Della Sala (Vice Caporedattore), Antonietta Amato (segreteria di Redazione) Antonio Palmieri (Responsabile dell’area Web) Lucia Picardo (Area Marketing), Rosario Santitoro ( Area Commerciale). Ci sono nuovi responsabili di area, ciascuno dei quali è a capo di una redazione nelle diverse sedi dei principali Atenei Italiani: sono nuovi giovani vogliosi di essere protagonisti in un’avventura editoriale. Aumentano e si perfezionano le competenze e le professionalità di ognuno. Questo porta Controcampus ad essere una delle voci più autorevoli nel mondo accademico.Nel 2013 www.controcampus.it si aplia, il portale d'informazione universitario, diventa un network. Una nuova edizione, non più un periodico ma un quotidiano anzi un notiziario in tempo reale. Nasce il Magazine Controcampus, nascono nuovi contenuti: scuola, università, ricerca, formazione e lavoro. Nascono ulteriori piattaforme collegate alla webzine, non solo informazione ma servizi come bacheche, appunti, ricerca lavoro e anche nuovi servizi sociali.Certo le difficoltà sono state sempre in agguato ma hanno generato all’interno della redazione la consapevolezza che esse non sono altro che delle opportunità da cogliere al volo per radicare il progetto Controcampus nel mondo dell’istruzione globale, non più solo università.Controcampus diventa sempre più grande restando come sempre gratuito. Un nuovo portale, un nuovo spazio per chiunque e a prescindere dalla propria apparenza e provenienza.Sempre più verso una gestione imprenditoriale e professionale del progetto editoriale, alla ricerca di un business libero ed indipendente che possa diventare un’opportunità di lavoro per quei giovani che oggi contribuiscono e partecipano all’attività del primo portale di informazione universitaria.Sempre più verso il soddisfacimento dei bisogni dei lettori che contribuiscono con i loro feedback a rendere Controcampus un progetto sempre più attento alle esigenze di chi ogni giorno e per vari motivi vive il mondo universitario. Leggi tutto