Metamaterial fotónico - Photonic metamaterial

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Un metamaterial fotónico ( PM ), también conocido como metamaterial óptico , es un tipo de metamaterial electromagnético , que interactúa con la luz, cubriendo terahercios ( THz ), infrarrojos (IR) o longitudes de onda visibles . Los materiales emplean una estructura celular periódica .

La periodicidad de sublongitud de onda distingue los metamateriales fotónicos de la banda prohibida fotónica o las estructuras de cristal fotónico . Las células están en una escala que es magnitudes más grandes que el átomo, pero mucho más pequeñas que la longitud de onda radiada, son del orden de los nanómetros .

En un material convencional, la respuesta a los campos eléctricos y magnéticos , y por tanto a la luz , está determinada por los átomos . En los metamateriales, las células asumen el papel de átomos en un material que es homogéneo a escalas mayores que las células, lo que produce un modelo de medio eficaz .

Algunos metamateriales fotónicos exhiben magnetismo a altas frecuencias, lo que resulta en un fuerte acoplamiento magnético. Esto puede producir un índice de refracción negativo en el rango óptico.

Las aplicaciones potenciales incluyen la óptica de transformación y camuflaje .

Los cristales fotónicos se diferencian de los PM en que el tamaño y la periodicidad de sus elementos de dispersión son mayores, del orden de la longitud de onda. Además, un cristal fotónico no es homogéneo , por lo que no es posible definir valores de ε ( permitividad ) o u ( permeabilidad ).

Historia

Artículo principal: Historia de los metamateriales

Mientras investigaba si la materia interactúa o no con el componente magnético de la luz, Victor Veselago (1967) imaginó la posibilidad de refracción con signo negativo, según las ecuaciones de Maxwell . Un índice de refracción con signo negativo es el resultado de la permitividad, ε <0 (menor que cero) y la permeabilidad magnética, μ <0 (menor que cero). El análisis de Veselago se ha citado en más de 1500 artículos revisados ​​por pares y en muchos libros.

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

A mediados de la década de 1990, los metamateriales se vieron por primera vez como tecnologías potenciales para aplicaciones tales como imágenes a escala nanométrica y objetos de camuflaje . A partir de 2015, las antenas de metamateriales estaban disponibles comercialmente.

La permeabilidad negativa se logró con un resonador de anillo dividido (SRR) como parte de la celda de sublongitud de onda. El SRR logró una permeabilidad negativa dentro de un rango de frecuencia estrecho. Esto se combinó con un poste conductor eléctrico colocado simétricamente , que creó el primer metamaterial de índice negativo, operando en la banda de microondas. Los experimentos y simulaciones demostraron la presencia de una banda de propagación para zurdos, un material para zurdos. La primera confirmación experimental del índice de refracción negativo se produjo poco después, también a frecuencias de microondas.

Permeabilidad negativa y permitividad negativa

Fotografía de la celosía de metamaterial utilizada para demostrar la refracción negativa . La matriz de resonadores de anillo dividido cuadrados le da al material una permeabilidad magnética negativa, mientras que la matriz de alambres rectos le da una permitividad negativa.

Los materiales naturales , como los metales preciosos , pueden alcanzar ε <0 hasta las frecuencias visibles . Sin embargo, a frecuencias de terahercios , infrarrojas y visibles, los materiales naturales tienen un componente de acoplamiento magnético muy débil, o permeabilidad. En otras palabras, la susceptibilidad al componente magnético de la luz irradiada puede considerarse insignificante.

Los metamateriales de índice negativo se comportan de manera contraria a la interacción convencional de la luz "diestra" que se encuentra en los materiales ópticos convencionales. Por lo tanto, estos se denominan materiales para zurdos o materiales de índice negativo (NIM), entre otras nomenclaturas.

Solo los NIM fabricados exhiben esta capacidad. Los cristales fotónicos, como muchos otros sistemas conocidos, pueden exhibir un comportamiento de propagación inusual, como inversión de fase y velocidades de grupo . Sin embargo, la refracción negativa no ocurre en estos sistemas.

Los materiales ferromagnéticos y antiferromagnéticos de origen natural pueden lograr resonancia magnética, pero con pérdidas significativas. En materiales naturales como los imanes naturales y las ferritas , la resonancia para la respuesta eléctrica (acoplamiento) y la respuesta magnética (acoplamiento) no ocurren en la misma frecuencia.

Frecuencia optica

Los SRR de metamateriales fotónicos han alcanzado escalas por debajo de los 100 nanómetros, utilizando haz de electrones y nanolitografía . Una celda SRR a nanoescala tiene tres pequeñas varillas metálicas que están conectadas físicamente. Está configurado en forma de U y funciona como un nanoinductor . El espacio entre las puntas de la función en forma de U como un nanocondensador . Por lo tanto, es un resonador óptico nano-LC . Estas "inclusiones" crean campos eléctricos y magnéticos locales cuando se excitan externamente. Estas inclusiones suelen ser diez veces más pequeñas que la longitud de onda de vacío de la luz c 0 a la frecuencia de resonancia. A continuación, las inclusiones pueden evaluarse utilizando una aproximación de medio eficaz.

Los PM muestran una respuesta magnética con una magnitud útil a frecuencias ópticas. Esto incluye la permeabilidad negativa, a pesar de la ausencia de materiales magnéticos. De manera análoga al material óptico ordinario, las partículas pueden tratarse como un medio eficaz que se caracteriza por los parámetros del medio eficaz ε (ω) y μ (ω), o de forma similar, ε eff y μ eff .

El índice de refracción negativo de las partículas en el rango de frecuencia óptica fue demostrado experimentalmente en 2005 por Shalaev et al. (en la longitud de onda de telecomunicaciones λ = 1,5 μm) y por Brueck et al. (a λ = 2 μm) casi al mismo tiempo.

Modelo medio eficaz

Una aproximación de medio efectivo (de transmisión) describe losas de material que, cuando reaccionan a una excitación externa , son "efectivamente" homogéneas, con los correspondientes parámetros "efectivos" que incluyen ε y µ "efectivos" y se aplican a la losa como un todo. Las inclusiones o celdas individuales pueden tener valores diferentes a los de la losa. Sin embargo, hay casos en los que la aproximación del medio efectivo no se cumple y es necesario ser consciente de su aplicabilidad.

Magnetismo de acoplamiento

La permeabilidad magnética negativa se logró originalmente en un medio para zurdos a frecuencias de microondas mediante el uso de matrices de resonadores de anillo dividido. En la mayoría de los materiales naturales, la respuesta acoplada magnéticamente comienza a disminuir a frecuencias en el rango de gigahercios , lo que implica que no se produce un magnetismo significativo en las frecuencias ópticas. La permeabilidad efectiva de tales materiales es la unidad, μ eff = 1. Por tanto, el componente magnético de un campo electromagnético radiado no tiene virtualmente ningún efecto sobre los materiales naturales a frecuencias ópticas.

En los metamateriales, la célula actúa como un metaátomo, un dipolo magnético de mayor escala , análogo al átomo del tamaño de un picómetro . Para los metaátomos construidos a partir de oro , se puede lograr μ <0 en las frecuencias de telecomunicaciones pero no en las frecuencias visibles. La frecuencia visible ha sido esquiva porque la frecuencia de plasma de los metales es la condición limitante última.

Diseño y fabricación

Las longitudes de onda ópticas son mucho más cortas que las microondas, lo que hace que los metamateriales ópticos de sublongitud de onda sean más difíciles de realizar. Los metamateriales de microondas se pueden fabricar a partir de materiales de placa de circuito , mientras que se deben emplear técnicas de litografía para producir MP.

Los experimentos exitosos utilizaron una disposición periódica de alambres cortos o piezas metálicas con formas variadas. En un estudio diferente, toda la losa estaba conectada eléctricamente.

Las técnicas de fabricación incluyen la litografía por haz de electrones , la nanoestructuración con un haz de iones enfocado y la litografía de interferencia .

En 2014, se demostró que un prototipo de metamaterial insensible a la polarización absorbe energía en una banda ancha (una super-octava ) de longitudes de onda infrarrojas. El material mostró una absortividad media medida superior al 98% que mantuvo en un amplio campo de visión de ± 45 ° para longitudes de onda del infrarrojo medio entre 1,77 y 4,81 μm. Uno de los usos es ocultar objetos de los sensores infrarrojos. El paladio proporcionó mayor ancho de banda que la plata o el oro. Un algoritmo genético modificó aleatoriamente un patrón candidato inicial, probando y eliminando todos menos los mejores. El proceso se repitió durante varias generaciones hasta que el diseño se hizo efectivo.

El metamaterial está formado por cuatro capas sobre un sustrato de silicio. La primera capa es de paladio, cubierta por poliimida (plástico) y una pantalla de paladio en la parte superior. La pantalla tiene recortes de sub-longitud de onda que bloquean las distintas longitudes de onda. Una capa de poliimida cubre todo el absorbente. Puede absorber el 90 por ciento de la radiación infrarroja en un ángulo de hasta 55 grados con respecto a la pantalla. Las capas no necesitan una alineación precisa. La tapa de poliimida protege la pantalla y ayuda a reducir cualquier desajuste de impedancia que pueda ocurrir cuando la onda cruza desde el aire hacia el dispositivo.

Investigar

Transmisión unidireccional

En 2015, la luz visible se unió a los NIM de microondas e infrarrojos para propagar la luz en una sola dirección. (Los " espejos ", en cambio, reducen la transmisión de luz en la dirección inversa, lo que requiere niveles bajos de luz detrás del espejo para funcionar).

El material combinó dos nanoestructuras ópticas: un bloque de varias capas de láminas de vidrio y plata alternas y rejillas de metal. La estructura de vidrio plateado es un metamaterial "hiperbólico", que trata la luz de manera diferente según la dirección en la que viajan las ondas. Cada capa tiene decenas de nanómetros de espesor, mucho más delgada que las longitudes de onda de 400 a 700 nm de la luz visible, lo que hace que el bloque sea opaco a la luz visible, aunque la luz que entra en ciertos ángulos puede propagarse dentro del material.

La adición de rejillas de cromo con espacios de sub-longitud de onda doblaba las ondas de luz roja o verde entrantes lo suficiente como para que pudieran entrar y propagarse dentro del bloque. En el lado opuesto del bloque, otro juego de rejillas permitía que la luz saliera, en ángulo en dirección opuesta a su dirección original. El espaciamiento de las rejillas de salida era diferente al de las rejillas de entrada, curvándose la luz incidente para que la luz externa no pudiera entrar al bloque por ese lado. Aproximadamente 30 veces más luz pasa en la dirección de avance que en retroceso. Los bloques intermedios redujeron la necesidad de una alineación precisa de las dos rejillas entre sí.

Tales estructuras tienen potencial para aplicaciones en comunicación óptica; por ejemplo, podrían integrarse en chips de computadora fotónicos que dividen o combinan señales transportadas por ondas de luz. Otras aplicaciones potenciales incluyen la biodetección utilizando partículas a nanoescala para desviar la luz a ángulos lo suficientemente pronunciados como para viajar a través del material hiperbólico y salir por el otro lado.

Elementos de circuito agrupados

Al emplear una combinación de nanopartículas plasmónicas y no plasmónicas , los nanocircuitos de elementos de circuito agrupados en frecuencias ópticas e infrarrojas parecen ser posibles. Los elementos de circuito agrupados convencionales no están disponibles de forma convencional.

Los elementos de circuito agrupados por sublongitud de onda demostraron ser viables en el dominio de microondas y radiofrecuencia (RF). El concepto de elemento agrupado permitió la simplificación de elementos y la modularización de circuitos. Existen técnicas de fabricación a nanoescala para lograr geometrías de sublongitud de onda.

Diseño celular

Los metales como el oro , la plata , el aluminio y el cobre conducen corrientes a frecuencias de RF y microondas. A frecuencias ópticas, se alteran las características de algunos metales nobles. En lugar del flujo de corriente normal, se producen resonancias plasmónicas cuando la parte real de la permitividad compleja se vuelve negativa. Por lo tanto, el flujo de corriente principal es en realidad la densidad de corriente de desplazamiento eléctrico ∂D / ∂t, y puede denominarse "corriente óptica que fluye".

En escalas de sublongitud de onda, la impedancia de la celda depende de la forma, el tamaño , el material y la iluminación de frecuencia óptica. La orientación de la partícula con el campo eléctrico óptico también puede ayudar a determinar la impedancia. Los dieléctricos de silicio convencionales tienen el componente de permitividad real ε real > 0 a frecuencias ópticas, lo que hace que la nanopartícula actúe como una impedancia capacitiva , un nanocondensador. Por el contrario, si el material es un metal noble como el oro o la plata, con ε real <0, entonces adquiere características inductivas , convirtiéndose en nanoinductor. La pérdida de material se representa como una nanorresistencia.

Sintonía

Artículos principales: metamateriales sintonizables y metamateriales no lineales

El esquema que se aplica con más frecuencia para lograr un índice de refracción sintonizable es la sintonización electroóptica. Aquí, el cambio en el índice de refracción es proporcional al campo eléctrico aplicado o es proporcional al módulo cuadrado del campo eléctrico. Estos son el efecto Pockels y los efectos Kerr , respectivamente.

Una alternativa es emplear un material óptico no lineal y depender de la intensidad del campo óptico para modificar el índice de refracción o los parámetros magnéticos.

Capas

El apilamiento de capas produce NIM a frecuencias ópticas. Sin embargo, la configuración de la superficie (no plana, a granel) del SRR normalmente evita el apilamiento. Aunque se puede construir una estructura SRR de una sola capa sobre una superficie dieléctrica , es relativamente difícil apilar estas estructuras a granel debido a los requisitos de tolerancia de alineación. En 2007 se publicó una técnica de apilamiento para SRR que utiliza espaciadores dieléctricos para aplicar un procedimiento de planarización para aplanar la capa de SRR. Parece que se pueden hacer muchas capas arbitrarias de esta manera, incluyendo cualquier número elegido de celdas unitarias y arreglos espaciales variantes de capas individuales.

Duplicación de frecuencia

En 2014, los investigadores anunciaron un espejo no lineal de duplicación de frecuencia de 400 nanómetros de espesor que se puede sintonizar para trabajar en frecuencias de infrarrojo cercano a infrarrojo medio y terahercios. El material opera con una intensidad de luz mucho menor que los enfoques tradicionales. Para una intensidad de luz de entrada y un grosor de estructura dados, el metamaterial produjo una salida de intensidad aproximadamente un millón de veces mayor. Los espejos no requieren igualar las velocidades de fase de las ondas de entrada y salida.

Puede producir una respuesta no lineal gigante para múltiples procesos ópticos no lineales , como generación de segundo armónico, suma y diferencia de frecuencia, así como una variedad de procesos de mezcla de cuatro ondas. El dispositivo de demostración convirtió la luz con una longitud de onda de 8000 a 4000 nanómetros.

El dispositivo está hecho de una pila de capas delgadas de indio , galio y arsénico o aluminio , indio y arsénico. 100 de estas capas, cada una de entre uno y doce nanómetros de espesor, estaban enfrentadas en la parte superior por un patrón de nanoestructuras de oro cruzadas y asimétricas que forman pozos cuánticos acoplados y una capa de oro en la parte inferior.

Las aplicaciones potenciales incluyen aplicaciones médicas y de teledetección que requieren sistemas láser compactos.

Otro

Las ondas superficiales de Dyakonov (DSW) se relacionan con la birrefringencia relacionada con los cristales fotónicos, la anisotropía metamaterial. Recientemente, el metamaterial fotónico operó a 780 nanómetros (infrarrojo cercano), 813 nm y 772 nm.

Ver también

Referencias

Referencias generales

enlaces externos