Una metasuperficie electromagnética se refiere a un tipo de material de lámina artificial con un espesor de sub-longitud de onda. Las metauperficies pueden estar estructuradas o no estructuradas con patrones a escala de sublongitud de onda en las dimensiones horizontales. [1]
En la teoría electromagnética, las metasuperficies modulan el comportamiento de las ondas electromagnéticas a través de condiciones de contorno específicas, en lugar de parámetros constitutivos en el espacio tridimensional (3D), que comúnmente se explota en materiales naturales y metamateriales . Metasuperficies también pueden referirse a las contrapartes bidimensionales de los metamateriales. [2] [3]
Definiciones
Los investigadores han definido las metauperficies de varias formas.
1, “Un enfoque alternativo que ha ganado cada vez más atención en los últimos años se refiere a matrices plasmónicas unidimensionales y bidimensionales (1D y 2D) con periodicidad de sublongitud de onda, también conocidas como metasuperficies. Debido a su grosor insignificante en comparación con la longitud de onda de funcionamiento, las metasuperficies pueden (cerca de las resonancias de los constituyentes de la celda unitaria) ser consideradas como una interfaz de discontinuidad que impone un cambio abrupto tanto en la amplitud como en la fase de la luz que incide ”. [4]
2, “Nuestros resultados pueden entenderse utilizando el concepto de metasuperficie, una matriz periódica de elementos de dispersión cuyas dimensiones y períodos son pequeños en comparación con la longitud de onda operativa”. [5]
3, “Metasuperficies basadas en películas delgadas”. Una película ultrafina altamente absorbente sobre un sustrato también se puede considerar como una metasuperficie, con propiedades que no ocurren en materiales naturales. [1] Siguiendo esta definición, las películas metálicas delgadas como las de superlentes también son tipos tempranos de metasuperficies. [6]
Historia
La investigación de las metasuperficies electromagnéticas tiene una larga historia. A principios de 1902, Robert W. Wood descubrió que los espectros de reflexión de las rejillas metálicas de sublongitud de onda tenían áreas oscuras. Este fenómeno inusual se denominó anomalía de Wood y condujo al descubrimiento del polaritón del plasmón superficial (SPP), [7] una onda electromagnética particular excitada en superficies metálicas. Posteriormente, se introdujo otro fenómeno importante, la relación Levi-Civita, [8] , que establece que una película con un grosor inferior a la longitud de onda puede provocar un cambio drástico en las condiciones de los límites electromagnéticos.
En términos generales, las metasuperficies podrían incluir algunos conceptos tradicionales en el espectro de microondas como superficies selectivas de frecuencia (FSS), láminas de impedancia e incluso láminas óhmicas. En el régimen de microondas, el grosor de estas metasuperficies puede ser mucho menor que la longitud de onda de funcionamiento (por ejemplo, 1/1000 de la longitud de onda), ya que la profundidad de la piel podría ser extremadamente pequeña para metales altamente conductores. Recientemente, se demostraron algunos fenómenos novedosos como la absorción perfecta coherente de banda ultra ancha . Los resultados mostraron que una película de 0,3 nm de espesor podría absorber todas las ondas electromagnéticas a través de las frecuencias de RF, microondas y terahercios. [9] [10] [11]
En aplicaciones ópticas, un revestimiento antirreflectante también podría considerarse como una simple metasuperficie, como lo observó por primera vez Lord Rayleigh.
En los últimos años, se han desarrollado varias metasuperficies nuevas, incluidas las metasuperficies plasmónicas , [12] [2] [4] [13] [14] metasuperficies basadas en fases geométricas, [15] [16] metasuperficies basadas en láminas de impedancia, [17 ] [18] y metasuperficies simétricas de deslizamiento. [19]
Aplicaciones
Una de las aplicaciones más importantes de las metasuperficies es controlar un frente de onda de ondas electromagnéticas impartiendo cambios de fase de gradiente locales a las ondas entrantes, lo que conduce a una generalización de las antiguas leyes de reflexión y refracción . [15] De esta manera, una metasuperficie se puede utilizar como lente plana, [20] [21] holograma plano, [22] generador de vórtice, [23] deflector de haz, axicón, etc. [16] [24]
Además de las lentes de metasuperficie de gradiente, las superlentes basadas en metasuperficies ofrecen otro grado de control del frente de onda mediante el uso de ondas evanescentes. Con los plasmones de superficie en las capas metálicas ultra fino, de imagen perfecta y super-resolución de la litografía podría ser posible, lo que rompe la suposición común de que todos los sistemas de lentes ópticas están limitados por la difracción, un fenómeno llamado el límite de difracción . [25] [26]
Otra aplicación prometedora está en el campo de la tecnología furtiva . La sección transversal del radar de un objetivo (RCS) se ha reducido convencionalmente ya sea por material absorbente de radiación (RAM) o por la forma específica de los objetivos de modo que la energía dispersa se pueda desviar lejos de la fuente. Desafortunadamente, las RAM tienen una funcionalidad de banda de frecuencia estrecha y la forma del propósito limita el rendimiento aerodinámico del objetivo. Se han sintetizado metauperficies que redirigen la energía dispersa lejos de la fuente utilizando la teoría de matrices [27] [28] [29] o la ley de Snell generalizada. [30] [31] Esto ha llevado a formas aerodinámicamente favorables para los objetivos con RCS reducido.
Además, las metasuperficies también se aplican en absorbedores electromagnéticos, convertidores de polarización y filtros de espectro. También han surgido e informado recientemente dispositivos novedosos de bioimagen y biosensores potenciados por la meta-superficie. [32] [33] [34] [35] Para muchos dispositivos de bioimagen de base óptica, su tamaño voluminoso y su gran peso físico han limitado su uso en entornos clínicos. [36] [37]
Simulación
Para analizar estas metasuperficies ópticas planas de manera eficiente, los algoritmos basados en prismas permiten la discretización del espacio prismático triangular, que es óptima para geometrías planas. El algoritmo basado en prismas tiene menos elementos que los métodos tetraédricos convencionales, lo que a su vez aporta una mayor eficiencia computacional. [38] Se ha lanzado un juego de herramientas de simulación en línea, que permite a los usuarios analizar de manera eficiente las metasuperficies con patrones de píxeles personalizados. [39]
Caracterización óptica
La caracterización de las metasuperficies en el dominio óptico requiere métodos avanzados de obtención de imágenes, ya que las propiedades ópticas involucradas a menudo incluyen propiedades de fase y polarización . Trabajos recientes sugieren que la pticografía vectorial , un método de imagen computacional desarrollado recientemente, parece muy relevante. Combina el mapeo de la matriz de Jones, junto con una resolución lateral microscópica, incluso en muestras grandes. [40]
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