Metamaterial de índice negativo

Metamateriales cuyo índice de refracción para una onda electromagnética tiene un valor negativo en algún rango de frecuencia.

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

El 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 algún rango de frecuencia . ^[1]

Los NIM están formados por 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 a partir de material de placa de circuito , o en otras palabras, cables y dieléctricos . En general, estas celdas construidas artificialmente están apiladas o planas y configuradas en un patrón repetido particular para componer el NIM individual. Por ejemplo, las celdas unitarias de los primeros NIM se apilaron horizontal y verticalmente, lo que resultó en un patrón que se repitió y se pretendió (ver imágenes a continuación).

Las especificaciones para la respuesta de cada celda unitaria están predeterminadas antes de la construcción y se basan en la respuesta prevista de todo el material recién construido. En otras palabras, cada celda se sintoniza individualmente para responder de cierta manera, 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 o metales y dieléctricos de los que está hecho. Por tanto, el NIM se ha convertido en un medio eficaz . Además, en efecto, este metamaterial se ha convertido en un " macroscópico ordenadomaterial, sintetizado de abajo hacia arriba ”, y tiene propiedades emergentes más allá de sus componentes. ^[2]

Los metamateriales que exhiben un valor negativo para el índice de refracción a menudo se denominan mediante cualquiera de varias terminologías: medios para zurdos o material para zurdos (LHM), medios de onda hacia atrás (medios BW), medios con índice de refracción negativo, doble negativo (DNG) metamateriales y otros nombres similares. ^[3]

Propiedades y características

Una matriz de resonadores de anillo dividido dispuesta para producir un índice de refracción negativo , construida con resonadores de anillo dividido de cobre y cables montados en láminas entrelazadas de una placa de circuito de fibra de vidrio.
La matriz total consta de celdas unitarias de 3 por 20 × 20 con dimensiones totales de 10 × 100 × 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 los medios con índices negativos de refracción 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 propuestos para zurdos o índices negativos exhiben propiedades ópticas opuestas a las de vidrio , aire y otros medios transparentes. Se predijo que dichos materiales exhibirían propiedades contrarias a la intuición, como doblar o refractar la luz de formas inusuales e inesperadas. Sin embargo, el primer metamaterial práctico no se construyó hasta 33 años después y produce los conceptos de Veselago. ^{[1] [3] [6] [7]}

En 1978, Sergei P. Efimov de la Universidad Técnica Estatal Bauman de Moscú encontró un efecto inesperado en la teoría de la refracción de las ondas. Su investigación se basa en la propiedad fundamental de las ecuaciones de Maxwell para superar las restricciones de las ecuaciones de Fresnel. Encontró parámetros de cristal totalmente no reflectante, es decir, de medio anisotrópico. La propiedad encontrada es importante para desarrollar conceptos de metamateriales. ^{[8] [9]}

Actualmente, se están desarrollando metamateriales de índice negativo para manipular la radiación electromagnética de nuevas formas. Por ejemplo, las propiedades ópticas y electromagnéticas de los materiales naturales a menudo se alteran a través de la química . Con los metamateriales, las propiedades ópticas y electromagnéticas se pueden diseñar cambiando la geometría de sus celdas unitarias . Las celdas unitarias son materiales que están ordenados en arreglos geométricos con dimensiones que son fracciones de la longitud de onda de la onda electromagnética radiada.. Cada unidad artificial responde a la radiación de la fuente. El resultado colectivo es la respuesta del material a la onda electromagnética que es 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 da como resultado el control sobre los parámetros del material conocidos como permitividad y permeabilidad magnética . Estos dos parámetros (o cantidades) determinan la propagación de ondas electromagnéticas en la materia . Por lo tanto, controlar los valores de permitividad y permeabilidad significa que el índice de refracción puede ser negativo o cero, así como convencionalmente positivo. Todo depende de la aplicación prevista o del resultado deseado . Por lo tanto, las propiedades ópticas se pueden expandir más allá de las capacidades de los lentes., 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, se invierte la propagación de la onda electromagnética . Es posible una resolución por debajo del límite de difracción . Esto se conoce como imagen de sublongitud de onda . Transmitir un haz de luz a través de una superficie electromagnéticamente plana es otra capacidad. Por el contrario, los materiales convencionales suelen ser curvos y no pueden alcanzar una resolución por debajo del límite de difracción. Además, invertir las ondas electromagnéticas en un material, junto con otros materiales ordinarios (incluido el aire), podría reducir al mínimo las pérdidas que normalmente ocurrirían. ^{[1] [3] [6] [7]}

El reverso de la onda electromagnética, caracterizado 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 con el resultado deseado en mente. Se pueden diseñar combinaciones de materiales para lograr propiedades ópticas que no se ven en la naturaleza. Las propiedades del material compuesto se derivan de su estructura de celosía construida a partir de componentes más pequeños que la longitud de onda electromagnética que incide separados por distancias que también son más pequeñas que la longitud de onda electromagnética que incide. 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 contrarias a la intuición tienen actualmente un uso práctico y comercial en la manipulación de microondas electromagnéticas en sistemas inalámbricos y de comunicación . Por último, la investigación continúa en los otros dominios del espectro electromagnético , incluida la luz visible . ^{[7] [10]}

Materiales

Los primeros metamateriales reales trabajaron en el régimen de microondas , o longitudes de onda de centímetros , del espectro electromagnético (alrededor de 4,3 GHz). Estaba construido con resonadores de anillo dividido y cables rectos conductores (como celdas unitarias). Las celdas unitarias tenían un tamaño de 7 a 10 milímetros . Las celdas unitarias se organizaron en un patrón repetitivo bidimensional ( periódico ) que produce una geometría similar a un cristal . Tanto las celdas unitarias como el espaciado de celosíaeran más pequeños que la onda electromagnética radiada. Esto produjo el primer material para zurdos 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 un comportamiento tan resonante.

La investigación en la gama de microondas continúa con resonadores de anillo dividido y cables conductores. La investigación también continúa en las longitudes de onda más cortas con esta configuración de materiales y los tamaños de las celdas unitarias se reducen. Sin embargo, a alrededor de 200 terahercios surgen problemas que hacen que el uso del resonador de anillo dividido sea problemático. " Los materiales alternativos se vuelven más adecuados para los regímenes de terahercios y ópticos ". A estas longitudes de onda, la selección de materiales y las limitaciones de tamaño se vuelven importantes. ^{[1] [4] [11] [12]}Por ejemplo, en 2007, un diseño de alambre de malla de 100 nanómetros hecho de plata y tejido en un patrón repetido transmitía 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 en una sola longitud de onda como sus metamateriales predecesores en el régimen de microondas. Por lo tanto, los desafíos son fabricar metamateriales para que "refracten la luz en longitudes de onda cada vez más pequeñas" y desarrollar capacidades de banda ancha. ^{[13] [14]}

Medios de transmisión de línea artificial

Artículo principal: Antena metamaterial

En la literatura sobre metamaterial , medio o medio se refiere al medio de transmisión o medio óptico . En 2002, a un grupo de investigadores se le ocurrió la idea de que, a diferencia de los materiales que dependían del comportamiento resonante, los fenómenos no resonantes podrían superar las limitaciones de ancho de banda estrecho de la configuración del resonador de anillo dividido / alambre . Esta idea se tradujo en un tipo de medio con capacidades de ancho de banda más amplio, refracción negativa , ondas hacia atrás y enfoque más allá del límite de difracción .

Prescindieron de resonadores de anillo dividido 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 artificial . En ese momento tenía la ventaja adicional de ser más compacto que una unidad hecha de cables y resonadores de anillo dividido. La red era tanto escalable (desde el megahercio hasta el rango de decenas de gigahercios ) como sintonizable. También incluye un método para enfocar las longitudes de onda de interés . ^[15]En 2007, la línea de transmisión de índice de refracción negativo se empleó como una lente plana de espacio libre de enfoque de sublongitud de onda. Que esta sea una lente de espacio libre es un avance significativo. Parte de los esfuerzos de investigación anteriores se centraron en la creación de una lente que no necesitaba estar incrustada en una línea de transmisión. ^[dieciséis]

El dominio óptico

Artículos principales: metamaterial fotónico y metamaterial plasmónico

Los componentes del metamaterial se encogen 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 dividido en forma de herradura más pequeños diseñados con técnicas litográficas , ^{[17] [18]} así como nanobarras o nanobandas metálicas emparejadas , ^[19] y nanopartículas como circuitos diseñados con modelos de elementos agrupados ^[20]

Aplicaciones

La ciencia de los materiales de índice negativo se está comparando con los dispositivos convencionales que emiten, transmiten, dan forma o reciben señales electromagnéticas que viajan por cables, alambres o aire. Los materiales, dispositivos y sistemas involucrados en este trabajo podrían tener sus propiedades alteradas o realzadas. Por lo tanto, esto ya está sucediendo con las antenas de metamaterial ^[21] y dispositivos relacionados que están disponibles comercialmente. Además, en el dominio inalámbrico se siguen investigando estos aparatos de metamateriales. También se están investigando otras aplicaciones. Estos son absorbentes electromagnéticos como absorbedores de microondas de radar , resonadores eléctricamente pequeños , guías de ondasque pueden ir más allá del límite de difracción , compensadores de fase , avances en dispositivos de enfoque (por ejemplo, lentes de microondas ) y antenas eléctricamente pequeñas mejoradas. ^{[22] [23] [24] [25]}

En el desarrollo del régimen de frecuencia óptica , las superlentes pueden permitir la obtención de imágenes por debajo del límite de difracción . Otras aplicaciones potenciales de los metamateriales de índice negativo son la nanolitografía óptica , los circuitos de nanotecnología , así como un superlente de campo cercano (Pendry, 2000) que podría ser útil para la obtención de imágenes biomédicas y la fotolitografía de sublongitud de onda. ^[25]

Manipulación de la permitividad y la permeabilidad

Refracción de la luz en la interfaz entre dos medios de diferentes índices de refracción , 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 índice más alto está más cerca de lo normal.

Para describir las propiedades electromagnéticas de un material aquiral dado, como una lente óptica , hay dos parámetros importantes. Estos son permitividad , y permeabilidad , que permiten una predicción precisa de las ondas de luz que viajan dentro de los materiales y los fenómenos electromagnéticos que ocurren en la interfaz entre dos materiales. ^[26]${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$

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 , de los dos medios (materiales). El índice de refracción de un medio aquiral viene dado por . ^[27] Por tanto, se puede ver que el índice de refracción depende de estos dos parámetros. Por lo tanto, si se diseñan o modifican arbitrariamente, los valores pueden ser entradas para y${\displaystyle n}$${\displaystyle \scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$, entonces el comportamiento de propagación de ondas electromagnéticas dentro del material puede manipularse a voluntad. Esta capacidad permite entonces la determinación intencional del índice de refracción. ^[26]

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 índice de refracción positivo convencional . Este material extraordinario se realizó en papel con valores negativos simultáneos para , y, y, por lo tanto, podría denominarse un material doble negativo. Sin embargo, en la época de Veselago, un material que exhibe parámetros negativos dobles simultáneamente parecía imposible porque no existen materiales naturales que puedan producir este efecto. Por tanto, su trabajo fue ignorado durante tres décadas. ^[26] Posteriormente fue nominado al Premio Nobel. ${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$

En 1987, Sergei P. Efimov utilizó la propiedad fundamental de las ecuaciones de Maxwell para superar las restricciones de las fórmulas de Fresnel. ^[8] Cambió la escala del eje Z: Z '= Z / K, es decir, el medio vacío con ε = 1 se comprime a lo largo de Z. Por lo tanto, las ecuaciones de Maxwell van a ecuaciones para medio anisotrópico macroscópico con tensores ε y μ . La permitividad ε _{z a lo} largo del eje Z es igual a K cuando la transversal ε _tr es igual a 1 / K. La permeabilidad μ _z es igual a K y transversal a μ _tres igual a 1 / K. La onda en el espacio vacío se convierte en onda refractada. En consecuencia, el cristal encontrado no tiene reflexión en ningún ángulo y para cualquier frecuencia. El cálculo directo da al coeficiente de reflexión igual a cero, lo que es similar al "efecto cuántico". Es muy importante que el parámetro K pueda ser negativo y complejo incluso en la medida en que el origen del efecto sea únicamente la propiedad de "compresión". Sergei P. Efimov aplicó una transformación análoga para las ecuaciones de ondas acústicas. ^[9] Tres conceptos: medio de índice negativo, cristal no reflectante y superlente son los fundamentos de la teoría del metamaterial. ^{[28] [29] [30]}

En general, las propiedades físicas de los materiales naturales provocan limitaciones. La mayoría de los dieléctricos solo tienen permitividad positiva, > 0. Los metales exhibirán permitividad negativa, <0 en frecuencias ópticas, y los plasmas exhiben valores de permitividad negativos en ciertas bandas de frecuencia. Pendry y col. demostraron que se puede hacer que la frecuencia de plasma ocurra en las frecuencias de microondas más bajas para metales con un material hecho de varillas de metal que reemplaza el metal a granel . Sin embargo, en cada uno de estos casos la permeabilidad permanece siempre positiva. A frecuencias de microondas, es posible que ocurra μ negativo en algunos ferromagnéticos.${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$materiales. 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 de permitividad y permeabilidad simultáneamente. Por lo tanto, todo esto ha llevado a construir materiales compuestos artificiales conocidos como metamateriales para lograr los resultados deseados. ^[26]

Índice de refracción negativo debido a la quiralidad

En el caso de los materiales quirales , el índice de refracción depende no solo de la permitividad y la permeabilidad , sino también del parámetro de quiralidad , lo que da como resultado valores distintos para las ondas polarizadas circularmente izquierda y derecha, dadas por${\displaystyle n}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$${\displaystyle \kappa }$

${\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa }$

Se producirá un índice negativo para ondas de una polarización circular si > . En este caso, no es necesario que uno o ambos y sean negativos para lograr un índice de refracción negativo. Pendry ^[31] y Tretyakov et al. , ^[32] y observado por primera vez de forma simultánea e independiente por Plum et al. ^[33] y Zhang et al. ^[34] en 2009.${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$

Propiedades físicas nunca antes producidas en la naturaleza

Se publicaron artículos teóricos en 1996 y 1999 que mostraban que los materiales sintéticos podían construirse para exhibir intencionalmente una permitividad y permeabilidad negativas . ^{[nota 1]}

Estos artículos, junto con el análisis teórico de Veselago de 1967 de las propiedades de los materiales de índice negativo, proporcionaron el trasfondo para fabricar un metamaterial con permitividad y permeabilidad efectivas negativas. ^{[35] [36] [37]} Véase más abajo.

Un metamaterial desarrollado para exhibir un comportamiento de índice negativo generalmente se forma a partir de componentes individuales. Cada componente responde de manera diferente e independiente a una onda electromagnética radiada a medida que viaja a través del material. Dado que estos componentes son más pequeños que la longitud de onda radiada , se entiende que una vista macroscópica incluye un valor efectivo tanto para la permitividad como para la permeabilidad. ^[35]

Material compuesto

En el año 2000, el equipo de investigadores de UCSD de David R. Smith produjo una nueva clase de materiales compuestos depositando una estructura sobre un sustrato de placa de circuito que consta de una serie de anillos delgados de cobre y segmentos de alambre ordinarios tendidos en paralelo al anillos. Este material exhibía 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 tener la capacidad de revertir muchas de las propiedades físicasque gobiernan el comportamiento de los materiales ópticos ordinarios. Una de esas propiedades inusuales es la capacidad de revertir, por primera vez, la ley de refracción de Snell . Hasta la demostración del índice de refracción negativo para microondas por parte del equipo de UCSD, el material no había estado disponible. Los avances durante la década de 1990 en las habilidades de fabricación y computación permitieron construir estos primeros metamateriales . Así, el "nuevo" metamaterial fue probado para los efectos descritos por Victor Veselago 30 años antes. Los estudios de este experimento, que siguieron poco después, anunciaron que habían ocurrido otros efectos. ^{[5] [35] [36] [38]}

Con antiferromagnetos y ciertos tipos de ferroimanes aislantes , se puede lograr una permeabilidad magnética negativa efectiva cuando existe resonancia de polaritón . 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 dividido fabricado artificialmente es un diseño que logra esto, junto con la promesa de amortiguar 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 2000, el material compuesto (NIM) se limitó a transmitir radiación de microondas a 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). A 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] [38] [39]}

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 celosía entre las celdas eran mucho más pequeños que la longitud de onda electromagnética radiada . Por tanto, se comporta como un medio eficaz . El material se ha vuelto notable debido a su rango de permitividad (efectiva) ε _eff y permeabilidad μ _effLos valores han superado los encontrados en cualquier material ordinario. Además, la característica de permeabilidad negativa (efectiva) que presenta 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 para zurdos y sus propiedades (discutidas en una sección a continuación). 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 se compone luego de resonadores de anillo dividido 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 fabricaban con materiales opacos y, por lo general, con componentes no magnéticos. Sin embargo, a modo de ilustración, si estos materiales se construyen a frecuencias visibles y se ilumina con una linterna la losa de NIM resultante, el material debe enfocar la luz en un punto del otro lado. Esto no es posible con una hoja de material opaco ordinario. ^{[1] [5] [38]} En 2007, el NIST en colaboración con el Atwater Lab en Caltechcreó el primer NIM activo a frecuencias ópticas. Más recientemente (a partir de 2008 ^[update]), los materiales NIM de "red de pesca" en capas hechos de alambres de silicio y plata se han integrado en fibras ópticas para crear elementos ópticos activos. ^{[40] [41] [42]}

Permeabilidad y permitividad negativa simultánea

La permitividad negativa ε _eff <0 ya se había descubierto y realizado en metales para frecuencias hasta la frecuencia del plasma , antes del primer metamaterial. Hay dos requisitos para lograr un valor negativo de refracción . Primero, es fabricar un material que puede producir permeabilidad negativa μ _eff <0. Segundo, los valores negativos tanto para la permitividad como para la permeabilidad deben ocurrir simultáneamente en un rango común de frecuencias. ^{[1] [35]}

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

Las divisiones en los anillos crean una dinámica en la que la celda unitaria SRR puede hacerse resonante a longitudes de onda radiadas mucho más grandes 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 opuesta a la división en el primer anillo. Está ahí para generar una gran capacitancia , que se produce en el pequeño espacio. Esta capacitancia disminuye sustancialmente la frecuencia de resonancia mientras 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 por radiación por absorción y reflexión son pequeñas, porque las dimensiones de la unidad son mucho más pequeñas que la longitud de onda radiada en el espacio libre . ^[5]

Cuando estas unidades o células se combinan en una disposición periódica , se refuerza el acoplamiento magnético entre los resonadores y se produce un acoplamiento magnético fuerte . Empiezan 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 μ _eff en respuesta al campo magnético irradiado-incidente . ^[5]

Banda de paso de material compuesto

Al graficar la curva de dispersión general , se produce una región de propagación desde cero hasta un borde de banda inferior , seguida de un espacio y luego 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 ocurre μ _eff <0.

( Ver imagen en la sección anterior )

Además, cuando se agregan cables simétricamente entre los anillos divididos, se produce una banda de paso dentro de la banda previamente prohibida de las curvas de dispersión del anillo dividido. El hecho de que esta banda de paso se produzca dentro de una región previamente prohibida indica que el ε _eff negativo para esta región se ha combinado con el μ _eff negativo para permitir la propagación, lo que se ajusta a las predicciones teóricas. Matemáticamente, la relación de dispersión conduce a una banda con velocidad de grupo negativa en todas partes y un ancho de banda que es independiente de la frecuencia del plasma , dentro de las condiciones establecidas. ^[5]

Tanto el modelado matemático como el experimento han demostrado que los elementos conductores dispuestos periódicamente (no magnéticos por naturaleza) responden predominantemente al componente magnético de los campos electromagnéticos incidentes . El resultado es un medio eficaz y un _ef μ negativo en una banda de frecuencias. Se verificó que la permeabilidad era la región de la banda prohibida, donde se produjo la brecha en la propagación, a partir de una sección finita de material. Esto se combinó con un material de permitividad negativa, ε _eff <0, para formar un medio “zurdo”, que formó una banda de propagación con velocidad de grupo negativa donde antes solo había atenuación. Esto validó las predicciones. Además, un trabajo posterior determinó que este primerel metamaterial tenía un rango de frecuencias sobre las cuales se predijo que el índice de refracción sería negativo para una dirección de propagación (ver ref. # ^[1] ). Otros efectos electrodinámicos previstos iban a ser investigados en otras investigaciones. ^[5]

Describiendo un material para zurdos

Una comparación de la refracción en un metamaterial de índice negativo con la de un material convencional que tiene el mismo índice de refracción, pero positivo. El haz incidente θ entra desde el aire y se refracta en un normal (θ ') o metamaterial (-θ').

De las conclusiones de la sección anterior se puede definir un material para zurdos (LHM). Es un material que exhibe valores negativos simultáneos de permitividad , ε, y permeabilidad , μ, en una región de frecuencia superpuesta. Dado que los valores se derivan de los efectos del sistema de medio compuesto en su conjunto, estos se definen como permitividad efectiva, ε _eff , y permeabilidad efectiva, μ _eff . A continuación, se obtienen 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 transmitirRadiación 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 insignificantes. ^{[4] [5]}

Índice isotrópico negativo 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 exhibió propagación hacia la izquierda en una dimensión. Esto se discutió en relación con el trabajo fundamental de Veselago 33 años antes (1967). Él predijo que intrínsecos a un material, que manifiesta valores negativos de permitividad y permeabilidad efectivas , son varios tipos de fenómenos físicos invertidos . Por lo tanto, existía una necesidad crítica de LHM de dimensiones superiores para confirmar la teoría de Veselago, como se esperaba. La confirmación incluiría la reversión deLey 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 experimentos y confirmación numérica. Era un LHM , un compuesto construido con tiras de cables montadas detrás de los resonadores de anillo dividido (SRR) en una configuración periódica. Fue creado con el propósito expreso de ser adecuado para nuevos experimentos para producir los efectos predichos por Veselago. ^[4]

Verificación experimental de un índice de refracción negativo

Resonador de anillo dividido que consta de un cuadrado interior con una división en un lado incrustada en un cuadrado exterior con una división en el otro lado. Los resonadores de anillo dividido están en las superficies frontal y derecha de la rejilla cuadrada, y los cables verticales individuales están en las superficies posterior e izquierda. ^[5]

Un trabajo teórico publicado en 1967 por el físico soviético Victor Veselago mostró que es posible un índice de refracción con valores negativos y que esto no viola las leyes de la física. Como se discutió anteriormente (arriba), el primer metamaterial tenía un rango de frecuencias sobre las cuales se predijo que el índice de refracción sería negativo para una dirección de propagación . Se informó en mayo de 2000. ^{[1] [6] [43]}

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 porque verificó con éxito un índice de refracción negativo. ^{[1] [6] [44] [45] [46] [47] [48]}

La demostración experimental del índice de refracción negativo fue seguida por otra demostración, en 2003, de una inversión de la ley de Snell, o refracción inversa. Sin embargo, en este experimento, el índice negativo del material de refracción se encuentra en el espacio libre de 12,6 a 13,2 GHz. Aunque el rango de frecuencia radiada es aproximadamente el mismo, una distinción notable es que este experimento se realiza en el espacio libre en lugar de emplear guías de ondas. ^[49]

Para fomentar la autenticidad de la refracción negativa, se calculó el flujo de potencia de una onda transmitida a través de un material dispersivo para zurdos y se comparó con un material dispersivo para diestros. Se emplea la transmisión de un campo incidente, compuesto por muchas frecuencias, de un material no dispersivo isótropo a un medio dispersivo isótropo. La dirección del flujo de energía para los medios dispersivos y no dispersivos está determinada por el vector de Poynting promediado en el tiempo . Se demostró que la refracción negativa es posible para señales de frecuencia múltiple mediante el cálculo explícito del vector de Poynting en el LHM. ^[50]

Propiedades electromagnéticas fundamentales del NIM

En una losa de material convencional con un índice de refracción ordinario , un material para diestros (RHM), el frente de onda se transmite lejos 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 sigue siendo esencialmente la misma tanto en el material ordinario como en el NIM. Dado que el flujo de energía sigue siendo el mismo en ambos materiales (medios), la impedancia del NIM coincide con la RHM. Por tanto, el signo de la impedancia intrínseca sigue siendo positivo en un NIM. ^{[51] [52]}

La luz que incide sobre un material zurdo, o NIM, se doblará hacia el mismo lado que el haz incidente y, para que se mantenga la ley de Snell, el ángulo de refracción debe ser negativo. En un medio metamaterial pasivo, esto determina una parte real e imaginaria negativa del índice de refracción. ^{[3] [51] [52]}

Índice de refracción negativo en materiales para zurdos

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

En 1968, el artículo de Victor Veselago mostró que las direcciones opuestas de las ondas planas EM y el flujo de energía se derivaban de las ecuaciones de curvatura individuales de Maxwell . En materiales ópticos ordinarios , la ecuación de rizo para el campo eléctrico muestra una "regla de la mano derecha" para las direcciones del campo eléctrico E , la inducción magnética B y la propagación de la onda, que va en la dirección del vector de onda k . Sin embargo, la dirección del flujo de energía formado por E × H es hacia la derecha solo cuando la permeabilidad es mayor que cero . Esto significa que cuando la permeabilidad es menor que cero, por ejemplo, negativo, la propagación de la onda 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 zurdo" - y fue Veselago que acuñó el término "zurdo" de material (LH), que es de uso generalizado hoy (2011). Sostuvo que un material LH tiene un índice de refracción negativo y se basó en las soluciones de estado estable de las ecuaciones de Maxwell como centro de su argumento. ^[53]

Después de un vacío de 30 años, cuando finalmente se demostraron los materiales de LH, se podría decir que la designación de índice de refracción negativo es exclusiva de los sistemas de LH; incluso en comparación con los cristales fotónicos . Los cristales fotónicos, como muchos otros sistemas conocidos, pueden exhibir un comportamiento de propagación inusual, como inversión de fase y velocidades de grupo. Pero la refracción negativa no ocurre en estos sistemas, y aún no de manera realista en los cristales fotónicos. ^{[53] [54] [55]}

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) ^[19] y por Brueck et al. (a λ = 2 μm) casi al mismo tiempo. ^[56]

En julio de 2013 ^[update], varios estudios anómalos han anunciado refracción negativa en frecuencias únicas en el espectro visible , ^{[57] [58] [59]} pero los resultados de algunas de estas demostraciones se consideran ambiguos por estudios posteriores. ^{[ cita requerida ]}

Verificación experimental de la radiación de Cherenkov invertida

Además de los valores invertidos del índice de refracción , Veselago predijo la aparición de radiación de Cherenkov invertida (también conocida simplemente como CR) en un medio zurdo. En 1934, Pavel Cherenkov descubrió una radiación coherente que se produce cuando ciertos tipos de medios son bombardeados por haces de electrones en movimiento rápido. En 1937, una teoría construida alrededor de CR afirmaba que cuando las partículas cargadas, como los electrones, viajan a través de un medio a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz en el medio, solo entonces se irradia CR. A medida que ocurre la RC, la radiación electromagnética se emite en forma de cono y se extiende en abanico hacia adelante.

CR y la teoría de 1937 han dado lugar a una gran variedad de aplicaciones en la física de altas energías. Una aplicación notable son los contadores Cherenkov. Estos se utilizan para determinar varias propiedades de una partícula cargada, como su velocidad, carga, dirección de movimiento y energía. Estas propiedades son importantes en la identificación de diferentes partículas. Por ejemplo, los contadores se aplicaron en el descubrimiento del antiprotón y el mesón J / ψ . Se utilizaron seis grandes contadores de Cherenkov en el descubrimiento del mesón J / ψ.

Ha sido difícil probar experimentalmente la radiación de Cherenkov invertida. ^{[60] [61]}

Otras ópticas con NIM

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

Implicaciones de los materiales refractivos negativos

La existencia de materiales refractivos negativos puede resultar en 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 da resultados incorrectos para los cálculos convencionales, porque se han alterado algunas propiedades y efectos. Cuando la permeabilidad μ tiene valores distintos de 1, esto afecta la ley de Snell , el efecto Doppler , la radiación de Cherenkov , las ecuaciones de Fresnel y el principio de Fermat . ^[12]

El índice de refracción es básico para la ciencia de la óptica. Cambiar el índice de refracción a un valor negativo puede ser motivo para revisar o reconsiderar la interpretación de algunas normas o leyes básicas . ^[25]

Patente de EE. UU. Sobre medios compuestos para zurdos

La primera patente estadounidense concedida para un metamaterial fabricado es la patente estadounidense 6.791.432 , titulada "Medios compuestos para zurdos". Los inventores enumerados son David R. Smith , Sheldon Schultz , Norman Kroll , Richard A. Shelby .

La invención logra permitividad y permeabilidad negativas simultáneas sobre 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 materiales continuos o compuestos cuando se combinan para obtener el efecto deseado. Sin embargo, se prefiere la inclusión de una serie periódica de elementos conductores. La matriz dispersa la radiación electromagnética en longitudes de onda más largas que el tamaño del elemento y el espaciado de la red. Entonces, la matriz se considera un medio eficaz . ^[62]

Dispersión anómala

Propagación de un pulso de luz gaussiana a través de un medio de dispersión anómalo. ^{[63] [64]} Sin embargo, la velocidad de transmisión de información siempre se limita a c . ^{[63] [65]}

Ver también

• Historia de los metamateriales
• Superlentes
• Encubrimiento de metamateriales
• Metamateriales fotónicos
• Antena de metamaterial
• Metamateriales no lineales
• Cristal fotónico
• Metamateriales sísmicos
• Resonador de anillo partido
• Metamateriales acústicos
• Absorbente de metamaterial
• Metamaterial
• Metamateriales plasmónicos
• Metamateriales de terahercios
• Metamateriales sintonizables
• Óptica de transformación
• Teorías del encubrimiento

Publicaciones académicas

• Metamateriales (revista)

Libros de metamateriales

• Manual de metamateriales
• Metamateriales: Exploraciones de física e ingeniería

Notas

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

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   En la siguiente investigación se exploró la permeabilidad efectiva con grandes valores positivos y negativos:
   • Pendry, JB; Holden, AJ; Robbins, DJ; Stewart, WJ (1999). "Magnetismo de conductores y fenómenos no lineales mejorados" (PDF) . Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 47 (11): 2075-2084. Código Bibliográfico : 1999ITMTT..47.2075P . CiteSeerX  10.1.1.564.7060 . doi : 10.1109 / 22.798002 . Consultado el 7 de julio de 2009 .
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Lectura adicional

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Enlaces externos

• Manipulación del campo cercano con metamateriales Presentación de diapositivas, con audio disponible, por el Dr. John Pendry, Imperial College, Londres
• Laszlo Solymar; Ekaterina Shamonina (15 de marzo de 2009). Ondas en metamateriales . Oxford University Press, Estados Unidos. Marzo de 2009. ISBN 978-0-19-921533-1.
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• Young, Andrew T. (1999-2009). "Una introducción a los espejismos" . SDSU San Diego, CA . Consultado el 12 de agosto de 2009 .
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• Lista de noticias del sitio web de ciencia sobre materiales para zurdos
• Caloz, Christophe (marzo de 2009). "Perspectivas sobre metamateriales EM" . Materiales hoy . 12 (3): 12-20. doi : 10.1016 / S1369-7021 (09) 70071-9 .