Metamaterial - Metamaterial

Configuración de matriz de metamateriales de índice negativo , que se construyó con resonadores de anillo dividido de cobre y cables montados en láminas entrelazadas de placa de circuito de fibra de vidrio. La matriz total consta de 3 × 20 × 20 células unitarias con dimensiones generales de 10 mm x 100 mm x 100 mm (0,39  en × 3,94 en × 3,94 in).

Un metamaterial (de la palabra griega μετά meta , que significa "más allá" y la palabra latina materia , que significa "materia" o "material") es cualquier material diseñado para tener una propiedad que no se encuentra en materiales naturales. Están hechos de conjuntos de múltiples elementos fabricados con materiales compuestos como metales y plásticos. Los materiales suelen estar dispuestos en patrones repetidos, a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de los fenómenos sobre los que influyen. Los metamateriales derivan sus propiedades no de las propiedades de los materiales base, sino de sus estructuras de nuevo diseño. Su forma , geometría , tamaño , orientación y disposición precisos les confieren sus propiedades inteligentes capaces de manipular ondas electromagnéticas : bloqueando, absorbiendo, potenciando o doblando ondas, para lograr beneficios que van más allá de lo que es posible con los materiales convencionales.

Los metamateriales diseñados adecuadamente pueden afectar las ondas de radiación electromagnética o el sonido de una manera que no se observa en los materiales a granel. Aquellos que exhiben un índice de refracción negativo para longitudes de onda particulares han sido el foco de una gran cantidad de investigación. Estos materiales se conocen como metamateriales de índice negativo .

Las aplicaciones potenciales de los metamateriales son diversas e incluyen filtros ópticos , dispositivos médicos , aplicaciones aeroespaciales remotas , detección de sensores y monitoreo de infraestructura , administración inteligente de energía solar , control de multitudes , radomos , comunicación en el campo de batalla de alta frecuencia y lentes para antenas de alta ganancia, mejorando los sensores ultrasónicos. , e incluso protegiendo las estructuras de los terremotos . Los metamateriales ofrecen el potencial de crear superlentes . Una lente de este tipo podría permitir la obtención de imágenes por debajo del límite de difracción que es la resolución mínima que se puede lograr con las lentes de vidrio convencionales. Se demostró una forma de "invisibilidad" utilizando materiales de índice de gradiente . Los metamateriales acústicos y sísmicos también son áreas de investigación.

La investigación de metamateriales es interdisciplinaria e involucra campos como la ingeniería eléctrica , electromagnética , óptica clásica , física del estado sólido , ingeniería de microondas y antenas , optoelectrónica , ciencias de los materiales , nanociencia e ingeniería de semiconductores .

Historia

Las exploraciones de materiales artificiales para manipular ondas electromagnéticas comenzaron a finales del siglo XIX. Algunas de las primeras estructuras que pueden considerarse metamateriales fueron estudiadas por Jagadish Chandra Bose , quien en 1898 investigó sustancias con propiedades quirales . Karl Ferdinand Lindman estudió la interacción de ondas con hélices metálicas como medios quirales artificiales a principios del siglo XX.

A finales de la década de 1940, Winston E. Kock de AT&T Bell Laboratories desarrolló materiales que tenían características similares a los metamateriales. En las décadas de 1950 y 1960, se estudiaron dieléctricos artificiales para antenas de microondas ligeras . Los absorbentes de radar de microondas se investigaron en las décadas de 1980 y 1990 como aplicaciones para medios quirales artificiales.

Los materiales de índice negativo fueron descritos teóricamente por primera vez por Victor Veselago en 1967. Demostró que tales materiales podían transmitir luz . Mostró que la velocidad de fase podía hacerse antiparalela a la dirección del vector de Poynting . Esto es contrario a la propagación de ondas en materiales naturales.

En 2000, John Pendry fue el primero en identificar una forma práctica de hacer un metamaterial para zurdos, un material en el que no se sigue la regla de la mano derecha . Tal material permite que una onda electromagnética transmita energía (tenga una velocidad de grupo ) contra su velocidad de fase . La idea de Pendry era que los cables metálicos alineados a lo largo de la dirección de una onda podrían proporcionar permitividad negativa ( función dieléctrica ε <0). Los materiales naturales (como los ferroeléctricos ) presentan una permitividad negativa; el desafío fue lograr una permeabilidad negativa (µ <0). En 1999 Pendry demostró que un anillo partido (forma de C) con su eje colocado a lo largo de la dirección de propagación de la onda podría hacerlo. En el mismo artículo, mostró que una serie periódica de cables y anillos podría dar lugar a un índice de refracción negativo. Pendry también propuso un diseño de permeabilidad negativa relacionado, el rollo suizo .

En 2000, David R. Smith et al. informó de la demostración experimental del funcionamiento de metamateriales electromagnéticos mediante el apilamiento horizontal, periódicamente , de resonadores de anillo dividido y estructuras de alambre delgadas. En 2002 se proporcionó un método para realizar metamateriales de índice negativo utilizando líneas de transmisión cargadas de elementos agrupados artificiales en tecnología de microbanda . En 2003, se demostraron imágenes complejas (tanto reales como imaginarias) del índice de refracción negativo y la obtención de imágenes por lente plana utilizando metamateriales zurdos. En 2007, muchos grupos habían realizado experimentos que implicaban un índice de refracción negativo . En las frecuencias de microondas, la primera capa de invisibilidad imperfecta se realizó en 2006.


Metamateriales electromagnéticos

Un metamaterial electromagnético afecta las ondas electromagnéticas que inciden o interactúan con sus características estructurales, que son más pequeñas que la longitud de onda. Para comportarse como un material homogéneo descrito con precisión por un índice de refracción efectivo , sus características deben ser mucho más pequeñas que la longitud de onda.

Para la radiación de microondas , las características son del orden de milímetros . Los metamateriales de frecuencia de microondas generalmente se construyen como conjuntos de elementos conductores de electricidad (como bucles de alambre) que tienen características inductivas y capacitivas adecuadas . Muchos metamateriales de microondas utilizan resonadores de anillo dividido .

Los metamateriales fotónicos están estructurados a escala nanométrica y manipulan la luz a frecuencias ópticas. Los cristales fotónicos y las superficies selectivas en frecuencia, como las rejillas de difracción , los espejos dieléctricos y los recubrimientos ópticos, presentan similitudes con los metamateriales estructurados en sublongitud de onda . Sin embargo, estos suelen considerarse distintos de los metamateriales, ya que su función surge de la difracción o la interferencia y, por lo tanto, no pueden aproximarse como un material homogéneo. Sin embargo, las estructuras de materiales como los cristales fotónicos son efectivas en el espectro de luz visible . La mitad del espectro visible tiene una longitud de onda de aproximadamente 560 nm (para la luz solar). Las estructuras de cristal fotónico son generalmente la mitad de este tamaño o más pequeñas, es decir <280 nm.

Los metamateriales plasmónicos utilizan plasmones de superficie , que son paquetes de carga eléctrica que oscilan colectivamente en las superficies de los metales a frecuencias ópticas.

Las superficies selectivas de frecuencia (FSS) pueden exhibir características de sublongitud de onda y se conocen de diversas formas como conductores magnéticos artificiales (AMC) o superficies de alta impedancia (HIS). FSS muestra características inductivas y capacitivas que están directamente relacionadas con su estructura de sublongitud de onda.

Los metamateriales electromagnéticos se pueden dividir en diferentes clases, de la siguiente manera:

Índice de refracción negativo

Una comparación de la refracción en un metamaterial zurdo con la de un material normal.

Los metamateriales de índice negativo (NIM) se caracterizan por un índice de refracción negativo. Otros términos para NIM incluyen "medios para zurdos", "medios con un índice de refracción negativo" y "medios de onda hacia atrás". Los NIM en los que el índice de refracción negativo surge de la permitividad y la permeabilidad negativas simultáneamente también se conocen como metamateriales dobles negativos o materiales doble negativos (DNG).

Suponiendo un material bien aproximado por una permitividad y permeabilidad reales, la relación entre permitividad , permeabilidad e índice de refracción n viene dada por . Todos los materiales transparentes no metamateriales conocidos (vidrio, agua, ...) poseen positivo y . Por convención, la raíz cuadrada positiva se usa para n . Sin embargo, algunos metamateriales de ingeniería tienen y . Como el producto es positivo, n es real . En tales circunstancias, es necesario sacar la raíz cuadrada negativa de n . Cuando ambos y son positivos (negativos), las ondas viajan hacia adelante ( hacia atrás ). Las ondas electromagnéticas no pueden propagarse en materiales con y de signo opuesto a medida que el índice de refracción se vuelve imaginario . Dichos materiales son opacos para la radiación electromagnética y los ejemplos incluyen materiales plasmónicos como metales ( oro , plata , ...).

Vídeo que representa la refracción negativa de la luz en una interfaz plana uniforme.

Las consideraciones anteriores son simplistas para los materiales reales, que deben tener valores complejos y . Las partes reales de ambos y no tienen que ser negativas para que un material pasivo muestre refracción negativa. De hecho, un índice de refracción negativo para ondas polarizadas circularmente también puede surgir de la quiralidad. Los metamateriales con n negativa tienen numerosas propiedades interesantes:

  • La ley de Snell ( n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 ) todavía describe la refracción, pero como n 2 es negativo, los rayos incidentes y refractados están en el mismo lado de la superficie normal en una interfaz de materiales de índice positivo y negativo.
  • La radiación de Cherenkov apunta hacia el otro lado.
  • El vector de Poynting promediado en el tiempo es antiparalelo a la velocidad de fase . Sin embargo, para que las ondas (energía) se propaguen, a - µ debe emparejarse con a - ε para satisfacer la dependencia del número de onda de los parámetros del material .

El índice de refracción negativo se deriva matemáticamente del triplete de vectores E , H y k .

Para las ondas planas que se propagan en metamateriales electromagnéticos, el campo eléctrico, el campo magnético y el vector de onda siguen una regla de la mano izquierda , la inversa del comportamiento de los materiales ópticos convencionales.

Hasta la fecha, solo los metamateriales exhiben un índice de refracción negativo.

Único negativo

Los metamateriales negativos simples (SNG) tienen permitividad relativa negativa (ε r ) o permeabilidad relativa negativa (µ r ), pero no ambas. Actúan como metamateriales cuando se combinan con un SNG complementario diferente, actuando conjuntamente como un DNG.

Los medios negativos de Epsilon (ENG) muestran un ε r negativo mientras que µ r es positivo. Muchos plasmas exhiben esta característica. Por ejemplo, los metales nobles como el oro o la plata son ENG en los espectros infrarrojo y visible .

Los medios Mu-negativos (MNG) muestran un ε r positivo y un µ r negativo . Los materiales girotrópicos o giromagnéticos exhiben esta característica. Un material girotrópico es aquel que ha sido alterado por la presencia de un campo magnético cuasiestático , lo que permite un efecto magnetoóptico . Un efecto magneto-óptico es un fenómeno en el que una onda electromagnética se propaga a través de dicho medio. En tal material, las polarizaciones elípticas que giran hacia la izquierda y hacia la derecha pueden propagarse a diferentes velocidades. Cuando la luz se transmite a través de una capa de material magnetoóptico, el resultado se llama efecto Faraday : el plano de polarización se puede rotar, formando un rotador de Faraday . Los resultados de tal reflexión se conocen como efecto Kerr magnetoóptico (que no debe confundirse con el efecto Kerr no lineal ). Dos materiales gyrotrópicos con direcciones de rotación invertidas de las dos polarizaciones principales se denominan isómeros ópticos .

Unir una losa de material ENG y una losa de material MNG resultó en propiedades como resonancias, tunelización anómala, transparencia y reflexión cero. Al igual que los materiales de índice negativo, los SNG son innatamente dispersivos, por lo que su ε r , µ r y su índice de refracción n son una función de la frecuencia.

Hiperbólico

Los metamateriales hiperbólicos (HMM) se comportan como un metal para cierta polarización o dirección de propagación de la luz y se comportan como un dieléctrico para el otro debido a los componentes del tensor de permitividad negativo y positivo, dando una anisotropía extrema . La relación de dispersión del material en el espacio del vector de onda forma un hiperboloide y, por lo tanto, se denomina metamaterial hiperbólico. La anisotropía extrema de los HMM conduce a la propagación direccional de la luz dentro y sobre la superficie. Los HMM han mostrado varias aplicaciones potenciales, como detección, formación de imágenes, dirección de señales ópticas, efectos mejorados de resonancia de plasmones.

Bandgap

Los metamateriales de banda prohibida electromagnética (EBG o EBM) controlan la propagación de la luz. Esto se logra con cristales fotónicos (PC) o materiales para zurdos (LHM). Las PC pueden prohibir la propagación de la luz por completo. Ambas clases pueden permitir que la luz se propague en direcciones específicas diseñadas y ambas pueden diseñarse con bandas prohibidas en las frecuencias deseadas. El tamaño del período de los EBG es una fracción apreciable de la longitud de onda, lo que crea una interferencia constructiva y destructiva.

La PC se distingue de las estructuras de sub-longitud de onda, como los metamateriales sintonizables , porque la PC deriva sus propiedades de sus características de banda prohibida. Las PC tienen un tamaño que coincide con la longitud de onda de la luz, en comparación con otros metamateriales que exponen la estructura de sub-longitud de onda. Además, las PC funcionan difractando la luz. Por el contrario, el metamaterial no usa difracción.

Los PC tienen inclusiones periódicas que inhiben la propagación de ondas debido a la interferencia destructiva de las inclusiones por dispersión. La propiedad de banda prohibida fotónica de las PC las convierte en el análogo electromagnético de los cristales semiconductores electrónicos.

Los EBG tienen el objetivo de crear estructuras dieléctricas periódicas de alta calidad y bajas pérdidas. Un EBG afecta a los fotones de la misma manera que los materiales semiconductores afectan a los electrones. Las PC son el material de banda prohibida perfecto, porque no permiten la propagación de la luz. Cada unidad de la estructura periódica prescrita actúa como un átomo, aunque de un tamaño mucho mayor.

Los EBG están diseñados para evitar la propagación de un ancho de banda asignado de frecuencias, para ciertos ángulos de llegada y polarizaciones . Se han propuesto varias geometrías y estructuras para fabricar las propiedades especiales de EBG. En la práctica, es imposible construir un dispositivo EBG impecable.

Los EBG se han fabricado para frecuencias que van desde unos pocos gigahercios (GHz) a unos pocos terahercios (THz), regiones de frecuencia de radio, microondas e infrarrojo medio. Los desarrollos de aplicaciones de EBG incluyen una línea de transmisión , pilas de madera hechas de barras dieléctricas cuadradas y varios tipos diferentes de antenas de baja ganancia .

Medio positivo doble

Los medios dobles positivos (DPS) ocurren en la naturaleza, como los dieléctricos naturales . La permitividad y la permeabilidad magnética son positivas y la propagación de la onda es en la dirección de avance. Se han fabricado materiales artificiales que combinan propiedades DPS, ENG y MNG.

Bi-isotrópico y bianisotrópico

La categorización de metamateriales en doble o simple negativo, o doble positivo, normalmente asume que el metamaterial tiene respuestas eléctricas y magnéticas independientes descritas por ε y µ. Sin embargo, en muchos casos, el campo eléctrico provoca polarización magnética , mientras que el campo magnético induce polarización eléctrica, conocida como acoplamiento magnetoeléctrico. Dichos medios se denominan biisótropos . Los medios que exhiben acoplamiento magnetoeléctrico y que son anisotrópicos (que es el caso de muchas estructuras metamateriales), se denominan bianisotrópicos.

Cuatro parámetros de material son intrínsecos al acoplamiento magnetoeléctrico de medios bi-isotrópicos. Son las intensidades de campo eléctrico ( E ) y magnético ( H ) y las densidades de flujo eléctrico ( D ) y magnético ( B ) . Estos parámetros son ε, µ, κ y χ o permitividad, permeabilidad, fuerza de quiralidad y el parámetro Tellegen, respectivamente. En este tipo de medios, los parámetros del material no varían con los cambios a lo largo de un sistema de coordenadas rotado de medidas. En este sentido son invariantes o escalares .

Los parámetros magnetoeléctricos intrínsecos, κ y χ , afectan la fase de la onda. El efecto del parámetro de quiralidad es dividir el índice de refracción. En medios isotrópicos, esto da como resultado la propagación de ondas solo si ε y µ tienen el mismo signo. En medios bi-isotrópicos en los que se supone que χ es cero y κ un valor distinto de cero, aparecen resultados diferentes. Puede ocurrir una onda hacia atrás o una onda hacia adelante. Alternativamente, pueden ocurrir dos ondas hacia adelante o dos ondas hacia atrás, dependiendo de la fuerza del parámetro de quiralidad.

En el caso general, las relaciones constitutivas para materiales bianisotrópicos leen dónde y son los tensores de permitividad y permeabilidad, respectivamente, mientras que y son los dos tensores magnetoeléctricos. Si el medio es recíproco, la permitividad y la permeabilidad son tensores simétricos y , ¿dónde está el tensor quiral que describe la respuesta quiral electromagnética y magnetoeléctrica recíproca? El tensor quiral se puede expresar como , donde es la traza de , I es la matriz de identidad, N es un tensor simétrico sin trazas y J es un tensor antisimétrico. Dicha descomposición nos permite clasificar la respuesta bianisotrópica recíproca y podemos identificar las siguientes tres clases principales: (i) medios quirales ( ), (ii) medios pseudoquirales ( ), (iii) medios omega ( ).

Quiral

La manipulación de los metamateriales es una fuente potencial de confusión, ya que la literatura sobre metamateriales incluye dos usos contradictorios de los términos zurdo y diestro . El primero se refiere a una de las dos ondas polarizadas circularmente que son los modos de propagación en los medios quirales. El segundo se relaciona con el triplete de campo eléctrico, campo magnético y vector de Poynting que surgen en medios con índice de refracción negativo, que en la mayoría de los casos no son quirales.

Generalmente, una respuesta electromagnética quiral y / o bianisotrópica es una consecuencia de la quiralidad geométrica 3D: los metamateriales quirales 3D se componen mediante la incorporación de estructuras quirales 3D en un medio anfitrión y muestran efectos de polarización relacionados con la quiralidad , como la actividad óptica y el dicroísmo circular . El concepto de quiralidad 2D también existe y se dice que un objeto plano es quiral si no se puede superponer a su imagen especular a menos que se levante del plano. Se ha observado que los metamateriales quirales 2D que son anisotrópicos y con pérdida exhiben una transmisión asimétrica direccional (reflexión, absorción) de ondas polarizadas circularmente debido a la conversión circular de dicrosima. Por otro lado, la respuesta bianisotrópica puede surgir de estructuras aquirales geométricas que no poseen quiralidad intrínseca ni 2D ni 3D. Plum y sus colegas investigaron el acoplamiento magnetoeléctrico debido a la quiralidad extrínseca , donde la disposición de una estructura (aquiral) junto con el vector de onda de radiación es diferente de su imagen especular, y observaron una gran actividad óptica lineal sintonizable, actividad óptica no lineal, óptica especular actividad y dicroísmo de conversión circular. Rizza y col. sugirió metamateriales quirales 1D donde el tensor quiral efectivo no se desvanece si el sistema es quiral geométricamente unidimensional (la imagen especular de toda la estructura no se puede superponer mediante el uso de traslaciones sin rotaciones).

Los metamateriales quirales 3D se construyen a partir de materiales quirales o resonadores en los que el parámetro de quiralidad efectiva no es cero. Las propiedades de propagación de ondas en tales metamateriales quirales demuestran que la refracción negativa se puede realizar en metamateriales con una quiralidad fuerte y positiva y . Esto se debe a que el índice de refracción tiene valores distintos para las ondas polarizadas circularmente izquierda y derecha, dados por

Puede verse que se producirá un índice negativo para una polarización si > . En este caso, no es necesario que uno o ambos y sea ​​negativo para la propagación de la onda hacia atrás. Un índice de refracción negativo debido a la quiralidad fue observado por primera vez de forma simultánea e independiente por Plum et al. y Zhang et al. en 2009.

Basado en FSS

Los metamateriales de superficie selectivos en frecuencia bloquean las señales en una banda de ondas y las pasan a otra banda de ondas. Se han convertido en una alternativa a los metamateriales de frecuencia fija. Permiten cambios opcionales de frecuencias en un solo medio, en lugar de las limitaciones restrictivas de una respuesta de frecuencia fija .

Otros tipos

Elástico

Estos metamateriales utilizan diferentes parámetros para lograr un índice de refracción negativo en materiales que no son electromagnéticos. Además, "un nuevo diseño de metamateriales elásticos que pueden comportarse como líquidos o sólidos en un rango de frecuencia limitado puede permitir nuevas aplicaciones basadas en el control de ondas acústicas, elásticas y sísmicas ". También se les llama metamateriales mecánicos .

Acústico

Los metamateriales acústicos controlan, dirigen y manipulan el sonido en forma de ondas sónicas , infrasónicas o ultrasónicas en gases , líquidos y sólidos . Al igual que con las ondas electromagnéticas, las ondas sónicas pueden exhibir refracción negativa.

El control de las ondas sonoras se logra principalmente a través del módulo de volumen β , la densidad de masa ρ y la quiralidad. El módulo volumétrico y la densidad son análogos de la permitividad y la permeabilidad en los metamateriales electromagnéticos. Relacionado con esto está la mecánica de la propagación de ondas sonoras en una estructura reticular . También los materiales tienen grados de rigidez intrínseca y de masa . Juntos, forman un sistema resonante y la resonancia mecánica (sónica) puede ser excitada por frecuencias sónicas apropiadas (por ejemplo, pulsos audibles ).

Estructural

Los metamateriales estructurales proporcionan propiedades tales como capacidad de aplastamiento y peso ligero. Utilizando la microestereolitografía de proyección , se pueden crear microredes utilizando formas muy parecidas a las de cerchas y vigas . Se han creado materiales cuatro órdenes de magnitud más rígidos que el aerogel convencional , pero con la misma densidad. Dichos materiales pueden soportar una carga de al menos 160.000 veces su propio peso al sobrerestringir los materiales.

Un metamaterial de nanotruss cerámico se puede aplanar y volver a su estado original.

No lineal

Se pueden fabricar metamateriales que incluyan algún tipo de medio no lineal , cuyas propiedades cambien con la potencia de la onda incidente. Los medios no lineales son esenciales para la óptica no lineal . La mayoría de los materiales ópticos tienen una respuesta relativamente débil, lo que significa que sus propiedades cambian solo una pequeña cantidad para grandes cambios en la intensidad del campo electromagnético . Los campos electromagnéticos locales de las inclusiones en metamateriales no lineales pueden ser mucho mayores que el valor medio del campo. Además, se han predicho y observado efectos no lineales notables si la permitividad dieléctrica efectiva del metamaterial es muy pequeña (medio épsilon cercano a cero). Además, las propiedades exóticas, como un índice de refracción negativo, crean oportunidades para adaptar las condiciones de coincidencia de fase que deben satisfacerse en cualquier estructura óptica no lineal.

Hall metamateriales

En 2009, Marc Briane y Graeme Milton demostraron matemáticamente que, en principio, se puede invertir el signo de un compuesto basado en 3 materiales en 3D hecho solo con materiales de coeficiente de Hall de signo positivo o negativo. Más tarde, en 2015, Muamer Kadic et al. demostró que una simple perforación de material isotrópico puede provocar su cambio de signo del coeficiente de Hall. Esta afirmación teórica fue finalmente demostrada experimentalmente por Christian Kern et al.

En 2015, también lo demostraron Christian Kern et al. que una perforación anisotrópica de un solo material puede conducir a un efecto aún más inusual, a saber, el efecto Hall paralelo. Esto significa que el campo eléctrico inducido dentro de un medio conductor ya no es ortogonal a la corriente y al campo magnético, sino que en realidad es paralelo al último.

Bandas de frecuencia

Terahercios

Los metamateriales de terahercios interactúan a frecuencias de terahercios , generalmente definidas como de 0,1 a 10 THz . La radiación de terahercios se encuentra en el extremo más alejado de la banda infrarroja, justo después del final de la banda de microondas. Esto corresponde a longitudes de onda milimétricas y submilimétricas entre los 3 mm ( banda EHF ) y 0,03 mm (borde de longitud de onda larga de la luz infrarroja lejana ).

Fotónico

El metamaterial fotónico interactúa con las frecuencias ópticas ( infrarrojo medio ). El período de sub-longitud de onda los distingue de las estructuras de banda prohibida fotónica .

Ajustable

Los metamateriales sintonizables permiten ajustes arbitrarios a los cambios de frecuencia en el índice de refracción. Un metamaterial sintonizable se expande más allá de las limitaciones de ancho de banda en materiales para zurdos mediante la construcción de varios tipos de metamateriales.

Plasmónico

Los metamateriales plasmónicos explotan los plasmones de superficie , que se producen a partir de la interacción de la luz con dieléctricos metálicos . En condiciones específicas, la luz incidente se acopla con los plasmones de superficie para crear ondas electromagnéticas de propagación autosustentables u ondas superficiales conocidas como polaritones de plasmones de superficie . Las oscilaciones del plasma a granel hacen posible el efecto de masa negativa (densidad).

Aplicaciones

Los metamateriales se están considerando para muchas aplicaciones. Las antenas de metamateriales están disponibles comercialmente.

En 2007, un investigador afirmó que para que se realicen aplicaciones de metamateriales, se debe reducir la pérdida de energía, los materiales deben extenderse a materiales isotrópicos tridimensionales y las técnicas de producción deben industrializarse.

Antenas

Las antenas de metamateriales son una clase de antenas que utilizan metamateriales para mejorar el rendimiento. Las demostraciones mostraron que los metamateriales podrían mejorar la potencia radiada de una antena . Los materiales que pueden alcanzar la permeabilidad negativa permiten propiedades como un tamaño de antena pequeño, alta directividad y frecuencia sintonizable.

Amortiguador

Un absorbente de metamateriales manipula los componentes de pérdida de la permitividad y la permeabilidad magnética de los metamateriales para absorber grandes cantidades de radiación electromagnética . Esta es una función útil para aplicaciones de fotodetección y energía solar fotovoltaica . Los componentes de pérdida también son relevantes en aplicaciones de índice de refracción negativo (metamateriales fotónicos, sistemas de antenas) u ópticas de transformación ( encubrimiento de metamateriales , mecánica celeste), pero a menudo no se utilizan en estas aplicaciones.

Superlentes

Un superlente es un dispositivo bidimensional o tridimensional que utiliza metamateriales, generalmente con propiedades de refracción negativas, para lograr una resolución más allá del límite de difracción (idealmente, resolución infinita). Este comportamiento está habilitado por la capacidad de los materiales doblemente negativos para producir una velocidad de fase negativa. El límite de difracción es inherente a los dispositivos ópticos o lentes convencionales.

Dispositivos de encubrimiento

Los metamateriales son una base potencial para un dispositivo de encubrimiento práctico . La prueba de principio se demostró el 19 de octubre de 2006. No se sabe públicamente que existan mantos prácticos.

RCS (Radar Cross Section) que reduce metamateriales

Convencionalmente, el RCS se ha reducido ya sea por material absorbente de radar (RAM) o por la forma específica de los objetivos de modo que la energía dispersa se pueda redirigir lejos de la fuente. Si bien las RAM tienen una funcionalidad de banda de frecuencia estrecha, la configuración del propósito limita el rendimiento aerodinámico del objetivo. Más recientemente, se sintetizan metamateriales o metasuperficies que pueden redirigir la energía dispersa lejos de la fuente utilizando la teoría de matrices o la ley de Snell generalizada. Esto ha llevado a formas aerodinámicamente favorables para los objetivos con RCS reducido.

Protección sísmica

Los metamateriales sísmicos contrarrestan los efectos adversos de las ondas sísmicas en las estructuras artificiales.

Filtrado de sonido

Los metamateriales texturizados con arrugas a nanoescala podrían controlar las señales de sonido o luz, como cambiar el color de un material o mejorar la resolución del ultrasonido . Los usos incluyen pruebas de materiales no destructivos , diagnósticos médicos y supresión de sonido . Los materiales se pueden fabricar mediante un proceso de deposición multicapa de alta precisión. El grosor de cada capa se puede controlar en una fracción de longitud de onda. Luego, el material se comprime, creando arrugas precisas cuyo espaciado puede causar la dispersión de las frecuencias seleccionadas.

Modelos teóricos

Todos los materiales están hechos de átomos , que son dipolos . Estos dipolos modifican la velocidad de la luz por un factor n (el índice de refracción). En un resonador de anillo partido las unidades de anillo y de alambre actúan como dipolos atómicos: el cable actúa como un ferroeléctrico átomo, mientras que el anillo actúa como un inductor L, mientras que la sección abierta actúa como un condensador C . El anillo en su conjunto actúa como un circuito LC . Cuando el campo electromagnético pasa a través del anillo, se crea una corriente inducida. El campo generado es perpendicular al campo magnético de la luz. La resonancia magnética da como resultado una permeabilidad negativa; el índice de refracción también es negativo. (La lente no es realmente plana, ya que la capacitancia de la estructura impone una pendiente para la inducción eléctrica).

Varios materiales (matemáticos) modelan la respuesta de frecuencia en DNG. Uno de ellos es el modelo de Lorentz , que describe el movimiento de los electrones en términos de un oscilador armónico controlado y amortiguado . El modelo de relajación de Debye se aplica cuando el componente de aceleración del modelo matemático de Lorentz es pequeño en comparación con los otros componentes de la ecuación. El modelo de Drude se aplica cuando el componente de la fuerza de restauración es insignificante y el coeficiente de acoplamiento es generalmente la frecuencia del plasma . Otras distinciones de componentes requieren el uso de uno de estos modelos, dependiendo de su polaridad o propósito.

Los compuestos tridimensionales de inclusiones metálicas / no metálicas incrustados periódicamente / aleatoriamente en una matriz de baja permitividad generalmente se modelan mediante métodos analíticos, que incluyen fórmulas de mezcla y métodos basados ​​en matrices de dispersión. La partícula es modelada por un dipolo eléctrico paralelo al campo eléctrico o un par de dipolos eléctricos y magnéticos cruzados paralelos a los campos eléctrico y magnético, respectivamente, de la onda aplicada. Estos dipolos son los términos principales de la serie multipolar. Son los únicos existentes para una esfera homogénea, cuya polarización se puede obtener fácilmente a partir de los coeficientes de dispersión de Mie . En general, este procedimiento se conoce como "aproximación punto-dipolo", que es una buena aproximación para metamateriales que consisten en compuestos de esferas eléctricamente pequeñas. Los méritos de estos métodos incluyen un bajo costo de cálculo y simplicidad matemática.

Tres concepciones: medio de índice negativo, cristal no reflectante y superlente son los fundamentos de la teoría del metamaterial. Otras técnicas de primeros principios para el análisis de medios electromagnéticos triplemente periódicos se pueden encontrar en Computación de la estructura de la banda fotónica.

Redes institucionales

MURI

La Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) abarca decenas de universidades y algunas organizaciones gubernamentales. Las universidades participantes incluyen UC Berkeley, UC Los Ángeles, UC San Diego, Massachusetts Institute of Technology e Imperial College en Londres. Los patrocinadores son la Oficina de Investigación Naval y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa .

MURI apoya la investigación que cruza más de una disciplina tradicional de ciencia e ingeniería para acelerar tanto la investigación como la traducción a aplicaciones. En 2009, se esperaba que 69 instituciones académicas participaran en 41 esfuerzos de investigación.

Metamorfosearse

El Instituto Virtual de Materiales y Metamateriales Electromagnéticos Artificiales "Metamorphose VI AISBL" es una asociación internacional para promover materiales y metamateriales electromagnéticos artificiales. Organiza conferencias científicas, apoya revistas especializadas, crea y gestiona programas de investigación, ofrece programas de formación (incluidos programas de doctorado y formación para socios industriales); y transferencia de tecnología a la industria europea.

Ver también

Referencias

enlaces externos