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Articulo de referencia

Metamaterial de índice negativo

Un metamaterial de índice negativo provoca que la luz se refracte, o se desvíe, de forma diferente que en los materiales de índice positivo más comunes, como las lentes de vidri...

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Un metamaterial de índice negativo provoca que la luz se refracte, o se desvíe, de forma diferente que en los materiales de índice positivo más comunes, como las lentes de vidrio .

Un metamaterial de índice negativo o material de índice negativo ( NIM ) es un metamaterial cuyo índice de refracción para una onda electromagnética tiene un valor negativo en un determinado rango de frecuencias . [ 1 ]

Los NIM se construyen a partir de partes básicas periódicas llamadas celdas unitarias , que suelen ser significativamente más pequeñas que la longitud de onda de la radiación electromagnética aplicada externamente . Las celdas unitarias de los primeros NIM investigados experimentalmente se construyeron con material de circuitos impresos , es decir, cables y dieléctricos . En general, estas celdas construidas artificialmente se apilan o se disponen planas y se configuran en un patrón repetitivo específico para componer cada NIM. Por ejemplo, las celdas unitarias de los primeros NIM se apilaron horizontal y verticalmente, lo que dio como resultado un patrón repetitivo y específico (véanse las imágenes a continuación).

Las especificaciones para la respuesta de cada celda unitaria se predeterminan antes de la construcción y se basan en la respuesta prevista del material recién construido en su totalidad. En otras palabras, cada celda se ajusta individualmente para responder de una manera determinada, según la salida deseada del NIM. La respuesta agregada está determinada principalmente por la geometría de cada celda unitaria y difiere sustancialmente de la respuesta de sus materiales constituyentes. En otras palabras, la forma en que responde el NIM es la de un material nuevo, a diferencia de los cables, metales o dieléctricos de los que está hecho. Por lo tanto, el NIM se ha convertido en un medio efectivo . Además, en efecto, este metamaterial se ha convertido en un " material macroscópico ordenado , sintetizado de abajo hacia arriba", y posee propiedades emergentes que van más allá de sus componentes. [ 2 ]

Los metamateriales que presentan un valor negativo para el índice de refracción suelen denominarse con diversas terminologías: medios zurdos o material zurdo (LHM), medios de onda inversa (medios BW), medios con índice de refracción negativo, metamateriales doblemente negativos (DNG) y otros nombres similares. [ 3 ]

Propiedades y características

Un conjunto de resonadores de anillo partido dispuestos para producir un índice de refracción negativo , construido con resonadores de anillo partido de cobre y cables montados sobre láminas entrelazadas de placa de circuito de fibra de vidrio. El conjunto total consta de 3 x 20 x 20 celdas unitarias con dimensiones generales de 10 x 100 x 100 milímetros. [ 4 ] [ 5 ] La altura de 10 milímetros mide un poco más de seis marcas de subdivisión en la regla, que está marcada en pulgadas.

La electrodinámica de medios con índices de refracción negativos fue estudiada por primera vez por el físico teórico ruso Victor Veselago del Instituto de Física y Tecnología de Moscú en 1967. [ 6 ] Se teorizó que los materiales zurdos o de índice negativo propuestos exhibirían propiedades ópticas opuestas a las del vidrio , el aire y otros medios transparentes . Se predijo que tales materiales exhibirían propiedades contraintuitivas, como la desviación o la refracción de la luz de maneras inusuales e inesperadas. Sin embargo, el primer metamaterial práctico no se construyó hasta 33 años después y sí respalda los conceptos de Veselago. [ 1 ] [ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]

Actualmente, se están desarrollando metamateriales de índice negativo para manipular la radiación electromagnética de formas novedosas. Por ejemplo, las propiedades ópticas y electromagnéticas de los materiales naturales suelen modificarse mediante procesos químicos . Con los metamateriales, estas propiedades pueden diseñarse cambiando la geometría de sus celdas unitarias . Las celdas unitarias son materiales ordenados geométricamente con dimensiones que son fracciones de la longitud de onda de la onda electromagnética emitida . Cada unidad artificial responde a la radiación de la fuente. El resultado colectivo es una respuesta del material a la onda electromagnética más amplia de lo normal. [ 1 ] [ 3 ] [ 7 ]

Posteriormente, la transmisión se modifica ajustando la forma, el tamaño y las configuraciones de las celdas unitarias. Esto permite controlar parámetros del material conocidos como permitividad y permeabilidad magnética . Estos dos parámetros (o magnitudes) determinan la propagación de las ondas electromagnéticas en la materia . Por lo tanto, controlar los valores de permitividad y permeabilidad implica que el índice de refracción puede ser negativo o cero, además del convencionalmente positivo. Todo depende de la aplicación prevista o del resultado deseado . Así, las propiedades ópticas pueden ampliarse más allá de las capacidades de las lentes , los espejos y otros materiales convencionales. Además, uno de los efectos más estudiados es el índice de refracción negativo. [ 1 ] [ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]

Propagación inversa

Cuando se produce un índice de refracción negativo, la propagación de la onda electromagnética se invierte. Esto permite obtener una resolución inferior al límite de difracción . Este fenómeno se conoce como imagen sublongitudinal . Otra capacidad consiste en transmitir un haz de luz a través de una superficie electromagnéticamente plana. En cambio, los materiales convencionales suelen ser curvos y no pueden alcanzar una resolución inferior al límite de difracción. Asimismo, invertir las ondas electromagnéticas en un material, junto con otros materiales comunes (incluido el aire), podría minimizar las pérdidas que normalmente se producirían. [ 1 ] [ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]

La inversa de la onda electromagnética, caracterizada por una velocidad de fase antiparalela , también es un indicador de índice de refracción negativo. [ 1 ] [ 6 ]

Además, los materiales de índice negativo son compuestos personalizados. En otras palabras, los materiales se combinan teniendo en mente un resultado deseado. Se pueden diseñar combinaciones de materiales para lograr propiedades ópticas que no se observan en la naturaleza. Las propiedades del material compuesto provienen de su estructura reticular construida a partir de componentes más pequeños que la longitud de onda electromagnética incidente , separados por distancias que también son menores que la longitud de onda electromagnética incidente. Asimismo, al fabricar tales metamateriales, los investigadores están tratando de superar los límites fundamentales ligados a la longitud de onda de la luz . [ 1 ] [ 3 ] [ 7 ] Las propiedades inusuales y contraintuitivas actualmente tienen uso práctico y comercial en la manipulación de microondas electromagnéticas en sistemas inalámbricos y de comunicación . Por último, la investigación continúa en otros dominios del espectro electromagnético , incluida la luz visible . [ 7 ] [ 8 ]

Materiales

Los primeros metamateriales reales funcionaban en el régimen de microondas , o longitudes de onda centimétricas , del espectro electromagnético (aproximadamente 4,3  GHz). Estaban construidos con resonadores de anillo partido y cables rectos conductores (como celdas unitarias). Las celdas unitarias tenían un tamaño de entre 7 y 10 milímetros . Estaban dispuestas en un patrón repetitivo bidimensional ( periódico ) que producía una geometría similar a la de un cristal . Tanto las celdas unitarias como el espaciado de la red eran menores que la onda electromagnética radiada. Esto produjo el primer material zurdo cuando tanto la permitividad como la permeabilidad del material eran negativas. Este sistema se basa en el comportamiento resonante de las celdas unitarias. A continuación, un grupo de investigadores desarrolla una idea para un metamaterial zurdo que no se basa en dicho comportamiento resonante.

La investigación en el rango de microondas continúa con resonadores de anillo partido y cables conductores. También se continúa investigando en longitudes de onda más cortas con esta configuración de materiales y se reducen los tamaños de las celdas unitarias. Sin embargo, alrededor de los 200 terahercios surgen problemas que dificultan el uso del resonador de anillo partido. " Los materiales alternativos se vuelven más adecuados para los regímenes de terahercios y ópticos ". En estas longitudes de onda, la selección de materiales y las limitaciones de tamaño se vuelven importantes. [ 1 ] [ 4 ] [ 9 ] [ 10 ] Por ejemplo, en 2007, un diseño de malla de alambre de 100 nanómetros hecho de plata y tejido en un patrón repetitivo transmitió haces en la longitud de onda de 780 nanómetros, el extremo más alejado del espectro visible. Los investigadores creen que esto produjo una refracción negativa de 0,6. Sin embargo, esto opera solo en una longitud de onda, como sus metamateriales predecesores en el régimen de microondas. Por lo tanto, los desafíos son fabricar metamateriales de manera que "refracten la luz en longitudes de onda cada vez más pequeñas" y desarrollar capacidades de banda ancha. [ 11 ] [ 12 ]

medios de línea de transmisión artificiales

En la literatura sobre metamateriales , el término "medio" o "medio" se refiere a un medio de transmisión o un medio óptico . En 2002, un grupo de investigadores propuso la idea de que, a diferencia de los materiales que dependen del comportamiento resonante, los fenómenos no resonantes podrían superar las limitaciones de ancho de banda de la configuración de resonador de alambre/ anillo partido . Esta idea se tradujo en un tipo de medio con mayor capacidad de ancho de banda, refracción negativa , ondas retropropagantes y enfoque más allá del límite de difracción .

Prescindieron de los resonadores de anillo partido y en su lugar utilizaron una red de líneas de transmisión cargadas L-C . En la literatura sobre metamateriales, esto se conoció como medios de línea de transmisión artificiales . En ese momento, tenía la ventaja adicional de ser más compacto que una unidad hecha de cables y resonadores de anillo partido. La red era escalable (desde el rango de megahercios hasta el de decenas de gigahercios ) y sintonizable. También incluye un método para enfocar las longitudes de onda de interés . [ 13 ] Para 2007, la línea de transmisión de índice de refracción negativo se empleó como una lente plana de espacio libre con enfoque sublongitud de onda. Que se trate de una lente de espacio libre es un avance significativo. Parte de los esfuerzos de investigación previos se centraron en crear una lente que no necesitara estar integrada en una línea de transmisión. [ 14 ]

El dominio óptico

Los componentes de metamateriales se reducen a medida que la investigación explora longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas) del espectro electromagnético en los espectros infrarrojo y visible . Por ejemplo, la teoría y el experimento han investigado resonadores de anillo partido en forma de herradura más pequeños diseñados con técnicas litográficas , [ 15 ] [ 16 ] así como nanobarras o nanobandas metálicas emparejadas, [ 17 ] y nanopartículas como circuitos diseñados con modelos de elementos concentrados. [ 18 ] La primera demostración de un índice de refracción negativo en el rango óptico fue realizada por Vladimir M. Shalaev et al. [ 17 ]

Aplicaciones

La ciencia de los materiales de índice negativo se está aplicando a dispositivos convencionales que emiten, transmiten, modulan o reciben señales electromagnéticas que viajan a través de cables, alambres o aire. Los materiales, dispositivos y sistemas involucrados en este trabajo podrían ver alteradas o potenciadas sus propiedades. Por lo tanto, esto ya está ocurriendo con antenas de metamateriales [ 19 ] y dispositivos relacionados disponibles comercialmente. Además, en el ámbito inalámbrico, estos dispositivos de metamateriales continúan siendo objeto de investigación. También se están investigando otras aplicaciones, como absorbentes electromagnéticos (por ejemplo , absorbentes de microondas de radar) , resonadores eléctricamente pequeños , guías de onda que pueden superar el límite de difracción , compensadores de fase , avances en dispositivos de enfoque (por ejemplo, lentes de microondas ) y antenas eléctricamente pequeñas mejoradas. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

En el régimen de frecuencia óptica, el desarrollo de la superlente podría permitir la obtención de imágenes por debajo del límite de difracción . Otras posibles aplicaciones de los metamateriales de índice negativo son la nanolitografía óptica , los circuitos nanotecnológicos , así como una superlente de campo cercano (Pendry, 2000) que podría ser útil para la obtención de imágenes biomédicas y la fotolitografía sublongitudinal. [ 23 ]

Manipulación de la permitividad y la permeabilidad

Refracción de la luz en la interfaz entre dos medios con índices de refracción diferentes , con n 2 > n 1 . Dado que la velocidad es menor en el segundo medio (v 2 < v 1 ), el ángulo de refracción θ 2 es menor que el ángulo de incidencia θ 1 ; es decir, el rayo en el medio de mayor índice está más cerca de la normal.

Para describir cualquier propiedad electromagnética de un material aquiral dado, como una lente óptica , hay dos parámetros significativos. Estos son la permitividad ,ϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}y permeabilidad ,μr{\displaystyle \mu _{r}}, que permiten predecir con precisión las ondas de luz que viajan dentro de los materiales y los fenómenos electromagnéticos que ocurren en la interfaz entre dos materiales. [ 24 ]

Por ejemplo, la refracción es un fenómeno electromagnético que ocurre en la interfaz entre dos materiales. La ley de Snell establece que la relación entre el ángulo de incidencia de un haz de radiación electromagnética (luz) y el ángulo de refracción resultante se basa en los índices de refracción,norte{\displaystyle n}, de los dos medios (materiales). El índice de refracción de un medio aquiral viene dado pornorte=±ϵrμr{\displaystyle \scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}. [ 25 ] Por lo tanto, se puede ver que el índice de refracción depende de estos dos parámetros. Por consiguiente, si se diseñan o modifican arbitrariamente los valores se pueden utilizar como entradas paraϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}yμr{\displaystyle \mu _{r}}Entonces, el comportamiento de las ondas electromagnéticas que se propagan dentro del material puede manipularse a voluntad. Esta capacidad permite la determinación intencional del índice de refracción. [ 24 ]

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

Por ejemplo, en 1967, Victor Veselago determinó analíticamente que la luz se refractará en la dirección inversa (negativamente) en la interfaz entre un material con índice de refracción negativo y un material que exhibe un índice de refracción positivo convencional . Este material extraordinario se realizó en papel con valores negativos simultáneos paraϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}yμr{\displaystyle \mu _{r}}y, por lo tanto, podría denominarse material doble negativo. Sin embargo, en la época de Veselago, un material que exhibiera parámetros doblemente negativos simultáneamente parecía imposible, ya que no existían materiales naturales capaces de producir este efecto. Por consiguiente, su trabajo fue ignorado durante tres décadas. [ 24 ] Posteriormente fue nominado al Premio Nobel.

En general, las propiedades físicas de los materiales naturales causan limitaciones. La mayoría de los dieléctricos solo tienen permitividades positivas,ϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}> 0. Los metales exhibirán permitividad negativa,ϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}< 0 en frecuencias ópticas, y los plasmas exhiben valores de permitividad negativos en ciertas bandas de frecuencia. Pendry et al. demostraron que la frecuencia de plasma puede ocurrir en las frecuencias de microondas más bajas para metales con un material hecho de varillas de metal que reemplaza el metal masivo . Sin embargo, en cada uno de estos casos la permeabilidad permanece siempre positiva. En frecuencias de microondas es posible que ocurra μ negativo en algunos materiales ferromagnéticos . Pero el inconveniente inherente es que son difíciles de encontrar por encima de las frecuencias de terahercios . En cualquier caso, no se ha encontrado ni descubierto un material natural que pueda alcanzar valores negativos para la permitividad y la permeabilidad simultáneamente. Por lo tanto, todo esto ha llevado a la construcción de materiales compuestos artificiales conocidos como metamateriales para lograr los resultados deseados. [ 24 ] Se mostró permeabilidad magnética negativa en toda la parte visible del espectro en. [ 26 ]

Índice de refracción negativo debido a la quiralidad

En el caso de materiales quirales , el índice de refracciónnorte{\displaystyle n}no depende únicamente de la permitividadϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}y permeabilidadμr{\displaystyle \mu _{r}}pero también en el parámetro de quiralidadκ{\displaystyle \kappa }, lo que resulta en valores distintos para las ondas polarizadas circularmente a la izquierda y a la derecha, dados por

norte=±ϵrμr±κ{\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa }

Se producirá un índice negativo para ondas de una polarización circular siκ{\displaystyle \kappa }>ϵrμr{\displaystyle {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}En este caso, no es necesario que uno o ambosϵr{\displaystyle \epsilon _{r}}yμr{\displaystyle \mu _{r}}ser negativo para lograr un índice de refracción negativo. Un índice de refracción negativo debido a la quiralidad fue predicho por Pendry [ 27 ] y Tretyakov et al. , [ 28 ] y observado por primera vez de forma simultánea e independiente por Plum et al. [ 29 ] y Zhang et al. [ 30 ] en 2009.

Propiedades físicas nunca antes producidas en la naturaleza.

En 1996 y 1999 se publicaron artículos teóricos que demostraban que los materiales sintéticos podían diseñarse para exhibir deliberadamente una permitividad y permeabilidad negativas . [ nota 1 ]

Estos artículos, junto con el análisis teórico de Veselago de 1967 sobre las propiedades de los materiales de índice negativo, proporcionaron la base para fabricar un metamaterial con permitividad y permeabilidad efectivas negativas. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] Véase más abajo.

Un metamaterial desarrollado para exhibir un comportamiento de índice negativo se forma típicamente a partir de componentes individuales. Cada componente responde de manera diferente e independiente a una onda electromagnética radiada a medida que esta viaja a través del material. Dado que estos componentes son más pequeños que la longitud de onda radiada , se entiende que una visión macroscópica incluye un valor efectivo tanto para la permitividad como para la permeabilidad. [ 31 ]

Material compuesto

En el año 2000, el equipo de investigadores de la UCSD , liderado por David R. Smith, creó una nueva clase de materiales compuestos mediante la deposición de una estructura sobre un sustrato de circuito impreso, consistente en una serie de anillos divididos de cobre delgados y segmentos de alambre comunes dispuestos en paralelo a los anillos. Este material exhibió propiedades físicas inusuales que nunca se habían observado en la naturaleza. Estos materiales obedecen las leyes de la física , pero se comportan de manera diferente a los materiales normales. En esencia, estos metamateriales de índice negativo se destacaron por su capacidad de invertir muchas de las propiedades físicas que rigen el comportamiento de los materiales ópticos comunes. Una de estas propiedades inusuales es la capacidad de invertir, por primera vez, la ley de refracción de Snell . Hasta la demostración del índice de refracción negativo para microondas por parte del equipo de la UCSD, el material no había estado disponible. Los avances en la fabricación y las capacidades de computación durante la década de 1990 permitieron la construcción de estos primeros metamateriales . Así, el "nuevo" metamaterial fue probado para comprobar los efectos descritos por Victor Veselago 30 años antes. Los estudios de este experimento, que se realizaron poco después, anunciaron que se habían producido otros efectos. [ 5 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 34 ]

Con antiferromagnetos y ciertos tipos de ferromagnetos aislantes, se puede lograr una permeabilidad magnética negativa efectiva cuando existe resonancia de polaritones . Sin embargo, para lograr un índice de refracción negativo, la permitividad con valores negativos debe ocurrir dentro del mismo rango de frecuencia. El resonador de anillo partido fabricado artificialmente es un diseño que logra esto, además de prometer amortiguar las altas pérdidas. Con esta primera introducción del metamaterial, parece que las pérdidas incurridas fueron menores que las de los materiales antiferromagnéticos o ferromagnéticos. [ 5 ]

Cuando se demostró por primera vez en el año 2000, el material compuesto (NIM) se limitaba a transmitir radiación de microondas en frecuencias de 4 a 7 gigahercios (  longitudes de onda de 4,28 a 7,49 cm). Este rango se encuentra entre la frecuencia de los hornos microondas domésticos ( ~2,45 GHz , 12,23 cm) y los radares militares (~10 GHz, 3 cm). En las frecuencias demostradas, los pulsos de radiación electromagnética que se mueven a través del material en una dirección están compuestos por ondas constituyentes que se mueven en la dirección opuesta. [ 5 ] [ 34 ] [ 35 ]    

El metamaterial se construyó como una matriz periódica de anillos partidos de cobre y elementos conductores de alambre depositados sobre un sustrato de placa de circuito. El diseño era tal que las celdas, y el espaciado de la red entre ellas, eran mucho menores que la longitud de onda electromagnética radiada . Por lo tanto, se comporta como un medio efectivo . El material se ha vuelto notable porque su rango de valores de permitividad (efectiva) ε eff y permeabilidad μ eff ha superado los encontrados en cualquier material ordinario. Además, la característica de permeabilidad (efectiva) negativa que muestra este medio es particularmente notable, ya que no se ha encontrado en materiales ordinarios. Además, los valores negativos para el componente magnético están directamente relacionados con su nomenclatura zurda y propiedades (discutidas en una sección posterior). El resonador de anillo partido (SRR), basado en el artículo teórico anterior de 1999, es la herramienta empleada para lograr la permeabilidad negativa. Este primer metamaterial compuesto está compuesto por resonadores de anillo partido y postes conductores eléctricos. [ 5 ]

Inicialmente, estos materiales solo se demostraron en longitudes de onda más largas que las del espectro visible . Además, los primeros NIM se fabricaron a partir de materiales opacos y generalmente estaban hechos de constituyentes no magnéticos. Sin embargo, como ilustración, si estos materiales se construyen en frecuencias visibles y se ilumina la lámina de NIM resultante con una linterna , el material debería enfocar la luz en un punto del otro lado. Esto no es posible con una lámina de material opaco ordinario. [ 1 ] [ 5 ] [ 34 ] En 2005, el equipo de la Universidad de Purdue, dirigido por Vladimir M. Shalaev, demostró el primer material de índice negativo en el rango óptico. [ 17 ] Posteriormente, el NIST , en colaboración con el Laboratorio Atwater en Caltech, también demostró NIM activo en frecuencias ópticas. Más recientemente ( a partir de 2008), materiales NIM en capas tipo "red" hechos de alambres de silicio y plata se han integrado en fibras ópticas para crear elementos ópticos activos. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

Permeabilidad y permeabilidad negativas simultáneas

La permitividad negativa ε eff < 0 ya se había descubierto y realizado en metales para frecuencias que llegaban hasta la frecuencia de plasma , antes del primer metamaterial. Para lograr un valor negativo de refracción , se requieren dos cosas . Primero, fabricar un material que pueda producir una permeabilidad negativa μ eff < 0. Segundo, los valores negativos tanto de la permitividad como de la permeabilidad deben ocurrir simultáneamente en un rango común de frecuencias. [ 1 ] [ 31 ]

Por lo tanto, para el primer metamaterial, los componentes básicos son un resonador de anillo partido combinado electromagnéticamente con un poste conductor (eléctrico). Estos están diseñados para resonar a frecuencias específicas para lograr los valores deseados. Al observar la composición del anillo partido, el patrón de campo magnético asociado del SRR es dipolar . Este comportamiento dipolar es notable porque significa que imita al átomo de la naturaleza , pero a una escala mucho mayor, como en este caso a 2,5 milímetros . Los átomos existen a escala de picómetros .

Las divisiones en los anillos crean una dinámica donde la celda unitaria SRR puede resonar a longitudes de onda radiadas mucho mayores que el diámetro de los anillos. Si los anillos estuvieran cerrados, se impondría electromagnéticamente un límite de media longitud de onda como requisito para la resonancia . [ 5 ]

La división en el segundo anillo está orientada en sentido opuesto a la división en el primer anillo. Su función es generar una gran capacitancia , que se produce en el pequeño espacio. Esta capacitancia disminuye sustancialmente la frecuencia de resonancia al tiempo que concentra el campo eléctrico . El SRR individual representado a la derecha tenía una frecuencia de resonancia de 4,845 GHz , y también se muestra la curva de resonancia, insertada en el gráfico. Se observa que las pérdidas radiativas por absorción y reflexión son pequeñas, ya que las dimensiones de la unidad son mucho menores que la longitud de onda radiada en el espacio libre . [ 5 ]

Cuando estas unidades o celdas se combinan en una disposición periódica , el acoplamiento magnético entre los resonadores se fortalece y se produce un fuerte acoplamiento magnético . Comienzan a surgir propiedades únicas en comparación con los materiales ordinarios o convencionales. Por un lado, este fuerte acoplamiento periódico crea un material que ahora tiene una permeabilidad magnética efectiva μeff en respuesta al campo magnético incidente irradiado . [ 5 ]

Banda de paso de material compuesto

Al graficar la curva de dispersión general , se observa una región de propagación desde cero hasta el borde inferior de la banda , seguida de una brecha y, finalmente, una banda de paso superior . La presencia de una brecha de 400 MHz entre 4,2 GHz y 4,6 GHz implica una banda de frecuencias donde μeff < 0.

( Véase la imagen en la sección anterior )

Además, cuando se añaden cables simétricamente entre los anillos divididos, aparece una banda de paso dentro de la banda previamente prohibida de las curvas de dispersión de los anillos divididos. El hecho de que esta banda de paso aparezca dentro de una región previamente prohibida indica que la ε eff negativa para esta región se ha combinado con la μ eff negativa para permitir la propagación, lo que concuerda con las predicciones teóricas. Matemáticamente, la relación de dispersión da lugar a una banda con velocidad de grupo negativa en todas partes y un ancho de banda independiente de la frecuencia de plasma , dentro de las condiciones establecidas. [ 5 ]

Tanto el modelado matemático como la experimentación han demostrado que los elementos conductores dispuestos periódicamente (de naturaleza no magnética) responden predominantemente al componente magnético de los campos electromagnéticos incidentes . El resultado es un medio efectivo y una μeff negativa en una banda de frecuencias. Se verificó que la permeabilidad se encontraba en la región de la banda prohibida, donde se producía la brecha en la propagación, a partir de una sección finita del material. Esto se combinó con un material de permitividad negativa, εeff < 0, para formar un medio "levógiro", que generó una banda de propagación con velocidad de grupo negativa donde anteriormente solo había atenuación. Esto validó las predicciones. Además, un trabajo posterior determinó que este primer metamaterial tenía un rango de frecuencias en el que se predijo que el índice de refracción sería negativo para una dirección de propagación (véase la referencia [ 1 ] ). Otros efectos electrodinámicos predichos se investigarían en otras investigaciones. [ 5 ]

Describiendo un material para zurdos

Comparación de la refracción en un metamaterial de índice negativo con la de un material convencional con el mismo índice de refracción, pero positivo. El haz incidente θ proviene del aire y se refracta en un material normal (θ') o en un metamaterial (-θ').

A partir de las conclusiones de la sección anterior, se puede definir un material zurdo (LHM). Se trata de un material que presenta valores negativos simultáneos para la permitividad , ε, y la permeabilidad , μ, en una región de frecuencia superpuesta. Dado que estos valores se derivan de los efectos del sistema de medio compuesto en su conjunto, se definen como permitividad efectiva, εeff , y permeabilidad efectiva, μeff . A continuación, se derivan valores reales para denotar el valor del índice de refracción negativo y los vectores de onda . Esto significa que, en la práctica, se producirán pérdidas para un medio dado utilizado para transmitir radiación electromagnética, como microondas , frecuencias infrarrojas o luz visible , por ejemplo. En este caso, los valores reales describen la amplitud o la intensidad de una onda transmitida en relación con una onda incidente, ignorando los valores de pérdida despreciables. [ 4 ] [ 5 ]

Índice negativo isotrópico en dos dimensiones

En las secciones anteriores, el primer metamaterial fabricado se construyó con elementos resonantes , que exhibían una dirección de incidencia y polarización . En otras palabras, esta estructura exhibía propagación zurda en una dimensión. Esto se discutió en relación con el trabajo seminal de Veselago 33 años antes (1967). Él predijo que, intrínsecamente a un material que manifiesta valores negativos de permitividad y permeabilidad efectivas , existen varios tipos de fenómenos físicos inversos . Por lo tanto, existía entonces una necesidad crítica de metamateriales zurdos de dimensiones superiores para confirmar la teoría de Veselago, como se esperaba. La confirmación incluiría la inversión de la ley de Snell (índice de refracción), junto con otros fenómenos inversos.

A principios de 2001 se informó de la existencia de una estructura de dimensiones superiores. Era bidimensional y se demostró mediante confirmación experimental y numérica. Se trataba de un LHM , un material compuesto formado por tiras de alambre montadas detrás de resonadores de anillo partido (SRR) en una configuración periódica. Fue creado expresamente para que sirviera para experimentos posteriores que permitieran reproducir los efectos predichos por Veselago. [ 4 ]

Verificación experimental de un índice de refracción negativo

Resonador de anillo partido que consiste en un cuadrado interior con una hendidura en un lado, incrustado en un cuadrado exterior con una hendidura en el otro lado. Los resonadores de anillo partido se encuentran en las superficies frontal y derecha de la rejilla cuadrada, y los cables verticales individuales se encuentran en las superficies posterior e izquierda. [ 5 ]

Un trabajo teórico publicado en 1967 por el físico soviético Victor Veselago demostró que es posible un índice de refracción con valores negativos y que esto no viola las leyes de la física. Como se mencionó anteriormente (arriba), el primer metamaterial tenía un rango de frecuencias en el que se predijo que el índice de refracción sería negativo para una dirección de propagación . Se informó en mayo de 2000. [ 1 ] [ 6 ] [ 39 ]

En 2001, un equipo de investigadores construyó un prisma compuesto de metamateriales (metamateriales de índice negativo) para probar experimentalmente el índice de refracción negativo. El experimento utilizó una guía de ondas para ayudar a transmitir la frecuencia adecuada y aislar el material. Esta prueba logró su objetivo, ya que verificó con éxito un índice de refracción negativo. [ 1 ] [ 6 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

La demostración experimental del índice de refracción negativo fue seguida, en 2003, por otra demostración de la inversión de la ley de Snell, o refracción inversa. Sin embargo, en este experimento, el material con índice de refracción negativo se encuentra en el espacio libre en el rango de 12,6 a 13,2  GHz. Si bien el rango de frecuencia radiada es prácticamente el mismo, una diferencia notable es que este experimento se realiza en el espacio libre en lugar de emplear guías de onda. [ 45 ]

Para confirmar la autenticidad de la refracción negativa, se calculó el flujo de potencia de una onda transmitida a través de un material dispersivo levógiro y se comparó con el de un material dispersivo dextrógiro. Se empleó la transmisión de un campo incidente, compuesto por múltiples frecuencias, desde un material isótropo no dispersivo a un medio isótropo dispersivo. La dirección del flujo de potencia, tanto para medios no dispersivos como dispersivos, se determinó mediante el vector de Poynting promediado en el tiempo . Se demostró la posibilidad de refracción negativa para señales de múltiples frecuencias mediante el cálculo explícito del vector de Poynting en el modelo LHM. [ 46 ]

Propiedades electromagnéticas fundamentales del NIM

En una lámina de material convencional con un índice de refracción ordinario (un material dextrógiro, RHM), el frente de onda se transmite alejándose de la fuente. En un NIM, el frente de onda viaja hacia la fuente. Sin embargo, la magnitud y la dirección del flujo de energía permanecen prácticamente iguales tanto en el material ordinario como en el NIM. Dado que el flujo de energía es el mismo en ambos materiales (medios), la impedancia del NIM coincide con la del RHM. Por lo tanto, el signo de la impedancia intrínseca sigue siendo positivo en un NIM. [ 47 ] [ 48 ]

La luz incidente sobre un material zurdo, o NIM, se desviará hacia el mismo lado que el haz incidente, y para que se cumpla la ley de Snell, el ángulo de refracción debe ser negativo. En un medio metamaterial pasivo, esto determina una parte real e imaginaria negativas del índice de refracción. [ 3 ] [ 47 ] [ 48 ]

Índice de refracción negativo en materiales para zurdos

La orientación para zurdos se muestra a la izquierda y la de diestros a la derecha.

En 1968, el artículo de Victor Veselago demostró que las direcciones opuestas de las ondas planas electromagnéticas y el flujo de energía se derivaban de las ecuaciones rotacionales de Maxwell . En los materiales ópticos ordinarios , la ecuación rotacional del campo eléctrico muestra una "regla de la mano derecha" para las direcciones del campo eléctrico E , la inducción magnética B y la propagación de ondas, que va en la dirección del vector de onda k . Sin embargo, la dirección del flujo de energía formada por E × H es dextrógira solo cuando la permeabilidad es mayor que cero . Esto significa que cuando la permeabilidad es menor que cero, por ejemplo, negativa , la propagación de ondas se invierte (determinada por k) y es contraria a la dirección del flujo de energía. Además, las relaciones de los vectores E , H y k forman un sistema "levógiro" , y fue Veselago quien acuñó el término "material levógiro" (LH), que se usa ampliamente hoy en día (2011). Sostuvo que un material LH tiene un índice de refracción negativo y se basó en las soluciones de estado estacionario de las ecuaciones de Maxwell como eje central de su argumento. [ 49 ]

Tras un vacío de 30 años, cuando finalmente se demostraron los materiales LH, se podría decir que la designación de índice de refracción negativo es exclusiva de los sistemas LH, incluso en comparación con los cristales fotónicos . Los cristales fotónicos, al igual que muchos otros sistemas conocidos, pueden exhibir un comportamiento de propagación inusual, como la inversión de las velocidades de fase y de grupo. Sin embargo, la refracción negativa no se produce en estos sistemas, ni aún de forma realista en los cristales fotónicos. [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]

Refracción negativa en frecuencias ópticas

El índice de refracción negativo en el rango óptico fue demostrado por primera vez en 2005 por Shalaev et al. (en la longitud de onda de telecomunicaciones λ = 1,5 μm) [ 17 ] y por Brueck et al. (en λ = 2 μm) casi al mismo tiempo. [ 52 ]

En 2006, un equipo de Caltech liderado por Lezec, Dionne y Atwater logró la refracción negativa en el régimen espectral visible . [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]

Radiación Cherenkov inversa

Además de los valores invertidos para el índice de refracción , Veselago predijo la aparición de radiación Cherenkov invertida en un medio zurdo. Mientras que la radiación Cherenkov ordinaria se emite en un cono alrededor de la dirección en la que una partícula cargada se desplaza a través del medio, la radiación Cherenkov invertida se emite en un cono alrededor de la dirección opuesta. La radiación Cherenkov invertida se demostró experimentalmente por primera vez de forma indirecta en 2009, utilizando una matriz de dipolos electromagnéticos en fase para modelar una partícula cargada en movimiento. [ 56 ] [ 57 ] La radiación Cherenkov invertida emitida por partículas cargadas reales se observó por primera vez en 2017. [ 58 ]

Otras ópticas con NIM

El trabajo teórico, junto con simulaciones numéricas , comenzó a principios de la década de 2000 sobre las capacidades de las láminas DNG para el enfoque sublongitudinal de onda . La investigación se inició con la propuesta de Pendry de una " lente perfecta ". Varias investigaciones posteriores concluyeron que la "lente perfecta" era posible en teoría, pero impráctica. Una línea de investigación en el enfoque sublongitudinal de onda prosiguió con el uso de metamateriales de índice negativo, pero basándose en las mejoras para la formación de imágenes con plasmones de superficie. En otra línea, los investigadores exploraron aproximaciones paraxiales de láminas NIM. [ 3 ]

Implicaciones de los materiales refractivos negativos

La existencia de materiales con índice de refracción negativo puede provocar un cambio en los cálculos electrodinámicos para el caso de permeabilidad μ = 1. Un cambio de un índice de refracción convencional a un valor negativo produce resultados incorrectos en los cálculos convencionales, debido a la alteración de algunas propiedades y efectos. Cuando la permeabilidad μ tiene valores distintos de 1, esto afecta a la ley de Snell , el efecto Doppler , la radiación Cherenkov , las ecuaciones de Fresnel y el principio de Fermat . [ 10 ]

El índice de refracción es fundamental para la ciencia de la óptica. Un cambio en el índice de refracción hacia un valor negativo puede llevar a revisar o reconsiderar la interpretación de algunas normas o leyes básicas . [ 23 ]

Patente estadounidense sobre medios compuestos para zurdos

La primera patente estadounidense para un metamaterial fabricado, titulada "Medios compuestos zurdos" por David R. Smith , Sheldon Schultz , Norman Kroll y Richard A. Shelby , se emitió en 2004. La invención logra simultáneamente permitividad y permeabilidad negativas en una banda común de frecuencias. El material puede integrar medios que ya son compuestos o continuos, pero que producirán permitividad y permeabilidad negativas dentro del mismo espectro de frecuencias. Se pueden considerar apropiados diferentes tipos de medios continuos o compuestos al combinarlos para lograr el efecto deseado. Sin embargo, se prefiere la inclusión de una matriz periódica de elementos conductores. La matriz dispersa la radiación electromagnética en longitudes de onda mayores que el tamaño del elemento y el espaciado de la red. La matriz se considera entonces un medio efectivo . [ 59 ]

Véase también

Revistas académicas
Libros sobre metamateriales

Notas

Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público procedente de sitios web o documentos del gobierno de los Estados Unidos . - NIST

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Lecturas adicionales

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  • Pendry, JB; Holden, AJ; Robbins, DJ; Stewart, WJ (1998). "Plasmones de baja frecuencia en estructuras de alambre delgado" (PDF) . Journal of Physics: Condensed Matter . 10 (22): 4785– 4809. Bibcode : 1998JPCM...10.4785P . doi : 10.1088/0953-8984/10/22/007 . S2CID 250891354 .  Véase también la copia del autor de la preimpresión .
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  • Bayindir, Mehmet; Aydin, K.; Ozbay, E.; Markoš, P.; Soukoulis, CM (2002-07-01). "Propiedades de transmisión de metamateriales compuestos en el espacio libre" (PDF) . Applied Physics Letters . 81 (1): 120. Bibcode : 2002ApPhL..81..120B . doi : 10.1063/1.1492009 . hdl : 11693/24684 .
  • Manipulación del campo cercano con metamateriales. Presentación de diapositivas con audio disponible, a cargo del Dr. John Pendry, Imperial College, Londres.
  • Laszlo Solymar; Ekaterina Shamonina (15 de marzo de 2009). Ondas en metamateriales . Oxford University Press, EE. UU. Marzo de 2009. ISBN 978-0-19-921533-1.
  • "Ilustrando la Ley de Refracción" .
  • Young, Andrew T. (1999–2009). "Una introducción a los espejismos" . SDSU San Diego, CA. Recuperado el 12 de agosto de 2009 .
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  • Lista de noticias científicas en sitios web sobre materiales para zurdos.
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