Un resonador de anillo dividido ( SRR ) es una estructura producida artificialmente común a los metamateriales . Su propósito es producir la susceptibilidad magnética deseada (respuesta magnética) en varios tipos de metamateriales hasta 200 terahercios . Estos medios crean el fuerte acoplamiento magnético necesario a un campo electromagnético aplicado , que de otra manera no está disponible en materiales convencionales. Por ejemplo, un efecto como la permeabilidad negativa se produce con una matriz periódica de resonadores de anillo dividido. [4]
Un SRR de celda única tiene un par de bucles cerrados con divisiones en los extremos opuestos. Los bucles están hechos de un metal no magnético como el cobre y tienen un pequeño espacio entre ellos. Los bucles pueden ser concéntricos o cuadrados y tener espacios según sea necesario. Un flujo magnético que penetre en los anillos metálicos inducirá corrientes giratorias en los anillos, que producen su propio flujo para mejorar u oponerse al campo incidente (según las propiedades resonantes de los SRR). Este patrón de campo es dipolar . Los pequeños espacios entre los anillos producen grandes valores de capacitancia que reducen la frecuencia de resonancia . Por tanto, las dimensiones de la estructura son pequeñas en comparación con la longitud de onda resonante . Esto da como resultado pérdidas por radiación bajas y factores de calidad muy altos . [4] [5] [6]
Fondo
Resonadores anillo partido (SRR) consisten en un par de concéntricos anillos metálicos, grabado al agua fuerte en un dieléctrico de sustrato, con ranuras grabadas en lados opuestos. Los SRR pueden producir el efecto de ser eléctricamente más pequeños cuando responden a un campo electromagnético oscilante . Estos resonadores se han utilizado para la síntesis de medios de índice de refracción negativos y zurdos, donde el valor necesario de la permeabilidad efectiva negativa se debe a la presencia de los SRR. Cuando una matriz de SRR eléctricamente pequeños se excita por medio de un campo magnético variable en el tiempo , la estructura se comporta como un medio efectivo con permeabilidad efectiva negativa en una banda estrecha por encima de la resonancia SRR . Los SRR también se han acoplado a líneas de transmisión planas , para la síntesis de metamateriales de líneas de transmisión . [7] [8] [9] [10]
El resonador de anillo dividido fue un diseño de microestructura presentado en el artículo de Pendry et al en 1999 llamado "Magnetismo de conductores y fenómenos no lineales mejorados". Propuso que el diseño del resonador de anillo dividido, construido con material no magnético, podría mejorar la actividad magnética invisible en los materiales naturales. En el diseño de microestructura simple, se muestra que en una matriz de cilindros conductores, con una aplicación externacampo paralelo a los cilindros, la permeabilidad efectiva se puede escribir como sigue. (Este modelo es muy limitado y la permeabilidad efectiva no puede ser menor que cero ni mayor que uno). [8]
Dónde es la resistencia de la superficie del cilindro por unidad de área, a es el espaciamiento de los cilindros, es la frecuencia angular, es la permeabilidad del espacio libre y r es el radio. Además, cuando se introducen huecos en un diseño de doble cilindro similar a la imagen de arriba, vemos que los huecos producen una capacitancia. Este diseño de microestructura de condensador e inductor introduce una resonancia que amplifica el efecto magnético. La nueva forma de permeabilidad efectiva se asemeja a una respuesta familiar conocida en materiales plasmónicos.
Donde d es el espaciado de las hojas conductoras concéntricas. El diseño final reemplaza los cilindros concéntricos dobles con un par de láminas planas concéntricas en forma de C, colocadas a cada lado de una celda unitaria. Las celdas unitarias se apilan una encima de la otra por una longitud, l. El resultado final de la permeabilidad efectiva se puede ver a continuación.
donde c es el espesor de la hoja en forma de c y es la resistencia de la longitud unitaria de las hojas medida alrededor de la circunferencia. [8]
Caracteristicas
El resonador de anillo dividido y el metamaterial en sí son materiales compuestos. Cada SRR tiene una respuesta individual personalizada al campo electromagnético. Sin embargo, la construcción periódica de muchas celdas SRR es tal que la onda electromagnética interactúa como si se tratara de materiales homogéneos . Esto es similar a cómo la luz interactúa realmente con los materiales cotidianos; materiales como el vidrio o las lentes están hechos de átomos, se produce un efecto promediado o macroscópico.
El SRR está diseñado para imitar la respuesta magnética de los átomos, solo que en una escala mucho mayor. Además, como parte de la estructura compuesta periódica, estos están diseñados para tener un acoplamiento magnético más fuerte que el que se encuentra en la naturaleza. La escala más grande permite un mayor control sobre la respuesta magnética, mientras que cada unidad es más pequeña que la onda electromagnética radiada .
Los SRR son mucho más activos que los materiales ferromagnéticos que se encuentran en la naturaleza. La pronunciada respuesta magnética en materiales tan ligeros demuestra una ventaja sobre los materiales más pesados y naturales. Cada unidad puede diseñarse para tener su propia respuesta magnética. La respuesta se puede mejorar o disminuir según se desee. Además, el efecto general reduce los requisitos de energía. [4] [11]
Configuración SRR
Hay una variedad de resonadores de anillos partidos y estructuras periódicas : anillos partidos de varilla, anillos partidos anidados, anillos partidos simples, anillos partidos deformados, anillos partidos en espiral y estructuras en S extendidas. Las variaciones de los resonadores de anillo dividido han logrado diferentes resultados, incluidas estructuras de frecuencia más pequeñas y más altas. La investigación que involucra algunos de estos tipos se discute a lo largo del artículo. [12]
Hasta la fecha (diciembre de 2009) no se ha logrado la capacidad para obtener los resultados deseados en el espectro visible . Sin embargo, en 2005 se observó que, físicamente, un resonador circular de anillo dividido anidado debe tener un radio interno de 30 a 40 nanómetros para tener éxito en el rango medio del espectro visible. [12] Las técnicas de microfabricación y nanofabricación pueden utilizar la escritura con rayo láser directo o la litografía con rayo de electrones, según la resolución deseada. [12]
Varias configuraciones
Los resonadores de anillo dividido (SRR) son uno de los elementos más comunes que se utilizan para fabricar metamateriales . [14] Los resonadores de anillo dividido son materiales no magnéticos . El primero de los cuales se fabricaba generalmente a partir de material de placa de circuito para crear metamateriales. [15]
Mirando la imagen directamente a la derecha, se puede ver que al principio un solo SRR parece un objeto con dos perímetros cuadrados, y cada perímetro tiene una pequeña sección eliminada. Esto da como resultado formas cuadradas de "C" en material de placa de circuito impreso de fibra de vidrio . [14] [15] En este tipo de configuración, en realidad son dos bandas concéntricas de material conductor no magnético . [14] Hay un espacio en cada banda colocada a 180 ° entre sí. [14] El espacio en cada banda le da la forma distintiva de "C", en lugar de una forma totalmente circular o cuadrada. [14] [15] Luego, se fabrican múltiples celdas de esta configuración de doble banda sobre material de placa de circuito mediante una técnica de grabado y se añaden matrices de tiras de alambre de cobre. [15] Después del procesamiento, las tablas se cortan y se ensamblan en una unidad de enclavamiento. [15] Está construido en una matriz periódica con una gran cantidad de SRR. [15]
Ahora hay varias configuraciones diferentes que utilizan la nomenclatura SRR.
Demostraciones
Se utilizó una matriz periódica de SRR para la primera demostración de un índice de refracción negativo . [15] Para esta demostración, los SRR de forma cuadrada , con las configuraciones de cables revestidos, se fabricaron en una estructura de celda periódica y ordenada. [15] Esta es la sustancia del metamaterial. [15] Luego se cortó un prisma de metamaterial de este material. [15] El experimento del prisma demostró un índice de refracción negativo por primera vez en el año 2000; el artículo sobre la demostración fue enviado a la revista Science el 8 de enero de 2001, aceptado el 22 de febrero de 2001 y publicado el 6 de abril de 2001. [15]
Justo antes de este experimento de prisma, Pendry et al. pudo demostrar que una matriz tridimensional de alambres delgados que se cruzan podría usarse para crear valores negativos de ε. En una demostración posterior, una matriz periódica de resonadores de anillo dividido de cobre podría producir un μ negativo efectivo. En 2000 Smith et al. fueron los primeros en combinar con éxito las dos matrices y producir un LHM [ aclaración necesaria ] que tenía valores negativos de ε y μ para una banda de frecuencias en el rango de GHz. [15]
Los SRR se utilizaron por primera vez para fabricar metamateriales zurdos para el rango de microondas , [15] y varios años más tarde para el rango de terahercios . [16] En 2007, muchos grupos habían logrado la demostración experimental de esta estructura a frecuencias de microondas. [17] Además, los SRR se han utilizado para la investigación de metamateriales acústicos. [18] Los SRR y los cables del primer metamaterial para zurdos se fusionaron en capas alternas. [19] Este concepto y metodología se aplicó luego a materiales (dieléctricos) con resonancias ópticas que producían permitividad efectiva negativa para ciertos intervalos de frecuencia, lo que resultaba en " frecuencias de banda prohibida fotónica ". [18] Otro análisis mostró que el material para zurdos se fabrica a partir de componentes no homogéneos, lo que sin embargo da como resultado un material macroscópicamente homogéneo . [18] Se habían utilizado SRR para enfocar una señal desde una fuente puntual, aumentando la distancia de transmisión para ondas de campo cercano . [18] Además, otro análisis mostró SRR con un índice de refracción negativo capaz de una respuesta magnética de alta frecuencia , lo que creó un dispositivo magnético artificial compuesto de materiales no magnéticos (placa de circuito dieléctrico). [15] [18] [19]
El fenómeno de resonancia que se produce en este sistema es fundamental para lograr los efectos deseados. [17]
Los SRR también exhiben una respuesta eléctrica resonante además de su respuesta magnética resonante. [19] La respuesta, cuando se combina con una serie de cables idénticos, se promedia sobre toda la estructura compuesta, lo que da como resultado valores efectivos, incluido el índice de refracción. [20] La lógica original detrás de los SRR específicamente, y los metamateriales en general, era crear una estructura, que imita una estructura atómica arreglada solo en una escala mucho mayor.
Varios tipos de SRR
En investigaciones basadas en metamateriales, y específicamente índice de refracción negativo , existen diferentes tipos de resonadores de anillo dividido. De los ejemplos que se mencionan a continuación, la mayoría de ellos tienen un espacio en cada anillo. En otras palabras, con una estructura de doble anillo, cada anillo tiene un espacio. [21]
Existe la estructura de anillo dividido 1-D con dos anillos cuadrados , uno dentro del otro. Un conjunto de dimensiones de " celda unitaria " citadas sería un cuadrado exterior de 2,62 mm y un cuadrado interior de 0,25 mm. Las estructuras 1-D como esta son más fáciles de fabricar en comparación con la construcción de una estructura rígida 2-D. [21]
La estructura de anillo simétrico es otro ejemplo clásico. Descritas por la nomenclatura, se trata de dos configuraciones rectangulares cuadradas de tipo D, exactamente del mismo tamaño, que se encuentran planas, una al lado de la otra, en la celda unidad . Además, estos no son concéntricos . Un conjunto de dimensiones citadas son 2 mm en el lado más corto y 3,12 mm en el lado más largo. Los espacios en cada anillo se enfrentan entre sí, en la celda unitaria. [21]
La Estructura Omega , como describe la nomenclatura, tiene una estructura de anillo en forma de Ω. [22] Hay dos de estos, parados verticales, uno al lado del otro, en lugar de estar acostados, en la celda unitaria. En 2005 se consideró que se trataba de un nuevo tipo de metamaterial. Un conjunto de dimensiones citadas son parámetros anulares de R = 1,4 mm y r = 1 mm, y el borde recto es de 3,33 mm. [21]
Otro nuevo metamaterial en 2005 fue una estructura en forma de "S" acoplada. Hay dos estructuras verticales en forma de "S", una al lado de la otra, en una celda unitaria. No hay espacio como en la estructura del anillo, sin embargo, hay un espacio entre las partes superior y media de la S y un espacio entre la parte media y la parte inferior de la S. Además, todavía tiene las propiedades de tener una frecuencia de plasma eléctrica. y una frecuencia de resonancia magnética. [21] [23]
Otros tipos de resonadores de anillo dividido son el resonador en espiral con 8 bucles. resonador de anillo dividido acoplado lateralmente (BC-SRR). Resonador multiespiral de dos capas (TL-MSR), resonador espiral acoplado de lado ancho con cuatro vueltas, resonador de anillo dividido complementario, [24] resonador de anillo dividido abierto (OSRR), [25] y división complementaria abierta resonador de anillo (OCSRR). [26] Las configuraciones de línea de transmisión incluyen la línea de transmisión CRLH (compuesta derecha-izquierda) basada en SRR y su complemento equivalente. [22]
Investigación del resonador de anillo partido
El 1 de mayo de 2000 se colocaron cables conductores simétricamente dentro de cada celda de una matriz periódica de resonadores de anillo dividido que logró la propagación negativa de ondas electromagnéticas en la región de microondas . El concepto se utilizó y se sigue utilizando para construir elementos interactuantes más pequeños que la radiación electromagnética aplicada. Además, el espacio entre ellos, denominado constante de red , también es menor que la radiación aplicada.
Además, las divisiones en el anillo permiten que la unidad SRR alcance una resonancia en longitudes de onda mucho mayores que el diámetro del anillo. La unidad está diseñada para generar una gran capacitancia, reducir la frecuencia de resonancia y concentrar el campo eléctrico. La combinación de unidades crea un diseño como medio periódico. Además, la estructura de unidades múltiples tiene un fuerte acoplamiento magnético con bajas pérdidas radiativas. [27] La investigación también ha cubierto variaciones en resonancias magnéticas para diferentes configuraciones de SRR. [28] [29] [30] La investigación ha continuado en radiaciones de terahercios con SRRs [31] Otro trabajo relacionado diseñó configuraciones de metamateriales con fractales [22] y estructuras no SRR. Estos pueden construirse con materiales tales como cruces metálicas periódicas o estructuras de anillos concéntricos cada vez más amplias conocidas como rollos suizos. [32] [33] [34] [35] Se ha analizado la permeabilidad solo para la longitud de onda roja a 780 nm y junto con otros trabajos relacionados [36] [37] [38]
Ver también
- Historia de los metamateriales
- Superlentes
- Metamateriales cuánticos
- Encubrimiento de metamateriales
- Metamateriales fotónicos
- Antenas de metamaterial
- Metamateriales no lineales
- Cristal fotónico
- Metamateriales sísmicos
- Metamateriales acústicos
- Absorbente de metamaterial
- Metamateriales plasmónicos
- Metamateriales de terahercios
- Metamateriales ajustables
- Óptica de transformación
- Teorías del encubrimiento
- Publicaciones académicas
- Metamateriales (revista)
- Libros de metamateriales
- Manual de metamateriales
- Metamateriales: Exploraciones de física e ingeniería
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Otras lecturas
- Ates, Damla; Cakmak, Atilla Ozgur; Colak, Evrim; Zhao, Rongkuo; Soukoulis, CM; Ozbay, Ekmel (2010). "Mejora de la transmisión a través de aberturas profundas de sublongitud de onda utilizando resonadores de anillo dividido conectados" (descarga gratuita de PDF) . Optics Express . 18 (4): 3952–66. Código Bibliográfico : 2010OExpr..18.3952A . doi : 10.1364 / OE.18.003952 . hdl : 11693/13284 . PMID 20389408 .
- Shepard, KW y col. Resonador de anillo partido para el reforzador de iones pesados superconductores de Argonne . Transacciones IEEE sobre ciencia nuclear, VoL. NS-24, N0.3, JUNIO DE 1977.
enlaces externos
- Video: Conferencia de John Pendry: La ciencia de la invisibilidad, abril de 2009, SlowTV
- Calculadora de resonador de anillo dividido : herramienta en línea para calcular el circuito equivalente LC y la frecuencia de resonancia de las topologías SRR y CSRR.