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Metamaterial fotónico

Un metamaterial fotónico ( PM ), también conocido como metamaterial óptico , es un tipo de metamaterial electromagnético que interactúa con la luz y abarca longitudes de onda de terahercios ( THz ), infrarrojos (IR) o visibles . [1] Los materiales emplean una estructura celular periódica .

La periodicidad de sublongitud de onda [2] distingue a los metamateriales fotónicos de las estructuras de banda prohibida fotónica o de cristales fotónicos . Las células se encuentran en una escala que es magnitudes mayores que el átomo, pero mucho menores que la longitud de onda radiada, [3] [4] son ​​del orden de los nanómetros . [3] [4] [5]

En un material convencional, la respuesta a los campos eléctricos y magnéticos , y por lo tanto a la luz , está determinada por los átomos . [6] [7] En los metamateriales, las células toman el papel de átomos en un material que es homogéneo a escalas mayores que las células, lo que produce un modelo de medio efectivo . [3] [4] [8] [6] [9]

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

Las posibles aplicaciones incluyen la óptica de encubrimiento y transformación . [10]

Los cristales fotónicos se diferencian de las partículas en fase sólida en que el tamaño y la periodicidad de sus elementos de dispersión son mayores, del orden de la longitud de onda. Además, un cristal fotónico no es homogéneo , por lo que no es posible definir valores de ε ( permitividad ) o u ( permeabilidad ). [11]

Historia

Mientras investigaba si la materia interactúa o no con el componente magnético de la luz, Victor Veselago (1967) imaginó la posibilidad de refracción con signo negativo, según las ecuaciones de Maxwell . Un índice de refracción con signo negativo es el resultado de la permitividad, ε < 0 (menor que cero) y la permeabilidad magnética, μ < 0 (menor que cero). [5] [12] El análisis de Veselago ha sido citado en más de 1500 artículos revisados ​​por pares y en muchos libros. [13] [14] [15] [16]

Comparación de la refracción en un metamaterial zurdo con la de un material normal

A mediados de la década de 1990, los metamateriales se consideraron por primera vez como tecnologías potenciales para aplicaciones tales como la obtención de imágenes a escala nanométrica y el encubrimiento de objetos . Por ejemplo, en 1995, Guerra [17] fabricó una rejilla transparente con líneas y espacios de 50 nm, y luego acopló este (lo que luego se llamaría) metamaterial fotónico con un objetivo de inmersión para resolver una rejilla de silicio que tenía líneas y espacios de 50 nm, mucho más allá del límite de difracción para la iluminación de longitud de onda de 650 nm en el aire. Y en 2002, Guerra et al. [18] publicaron su uso demostrado de nanoópticas de sublongitud de onda (metamateriales fotónicos) para el almacenamiento de datos ópticos a densidades muy por encima del límite de difracción. A partir de 2015, las antenas de metamateriales estaban disponibles comercialmente. [19] [20]

La permeabilidad negativa se logró con un resonador de anillo dividido (SRR) como parte de la celda de sublongitud de onda. El SRR logró permeabilidad negativa dentro de un rango de frecuencia estrecho. Esto se combinó con un poste conductor eléctrico posicionado simétricamente , lo que creó el primer metamaterial de índice negativo, que opera en la banda de microondas. Los experimentos y simulaciones demostraron la presencia de una banda de propagación zurda, un material zurdo. La primera confirmación experimental de índice de refracción negativo ocurrió poco después, también en frecuencias de microondas. [5] [21] [22]

Permeabilidad negativa y permitividad negativa

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

Los materiales naturales , como los metales preciosos , pueden alcanzar ε < 0 hasta las frecuencias visibles . Sin embargo, en las frecuencias de terahercios , infrarrojos y visibles, los materiales naturales tienen un componente de acoplamiento magnético muy débil, o permeabilidad. En otras palabras, la susceptibilidad al componente magnético de la luz radiada puede considerarse insignificante. [12]

Los metamateriales de índice negativo se comportan de manera contraria a la interacción de luz "diestra" convencional que se da en los materiales ópticos convencionales. Por ello, se los denomina materiales zurdos o materiales de índice negativo (NIM), entre otras nomenclaturas. [5] [21] [22]

Sólo los NIM fabricados exhiben esta capacidad. Los cristales fotónicos, como muchos otros sistemas conocidos, pueden exhibir un comportamiento de propagación inusual, como inversión de la fase y de las velocidades de grupo . Sin embargo, en estos sistemas no se produce refracción negativa. [21] [23] [24]

Los materiales ferromagnéticos y antiferromagnéticos naturales pueden alcanzar resonancia magnética, pero con pérdidas significativas. En materiales naturales como los imanes y las ferritas naturales , la resonancia para la respuesta eléctrica (de acoplamiento) y la respuesta magnética (de acoplamiento) no se produce a la misma frecuencia.

Frecuencia óptica

Los SRR de metamateriales fotónicos han alcanzado escalas inferiores a los 100 nanómetros, utilizando haz de electrones y nanolitografía . Una celda SRR a nanoescala tiene tres pequeñas varillas metálicas que están conectadas físicamente. Esto está configurado en forma de U y funciona como un nanoinductor . El espacio entre las puntas de la forma de U funciona como un nanocondensador . Por lo tanto, es un nanoresonador LC óptico . Estas "inclusiones" crean campos eléctricos y magnéticos locales cuando se excitan externamente. Estas inclusiones suelen ser diez veces más pequeñas que la longitud de onda de vacío de la luz c 0 en la frecuencia de resonancia. Las inclusiones pueden evaluarse luego utilizando una aproximación de medio efectivo. [5] [13]

Los PM muestran una respuesta magnética con una magnitud útil en frecuencias ópticas. Esto incluye permeabilidad negativa, a pesar de la ausencia de materiales magnéticos. De manera análoga a los materiales ópticos ordinarios, los PM pueden considerarse un medio efectivo que se caracteriza por los parámetros de medio efectivo ε(ω) y μ(ω), o de manera similar, ε eff y μ eff . [13] [25]

El índice de refracción negativo de las partículas en el rango de frecuencia óptica fue demostrado experimentalmente en 2005 por Shalaev et al. (en la longitud de onda de telecomunicaciones λ = 1,5 μm) [26] y por Brueck et al. (en λ = 2 μm) casi al mismo tiempo. [27]

Modelo de medio efectivo

Una aproximación de medio (de transmisión) efectivo describe losas de material que, al reaccionar a una excitación externa , son "efectivamente" homogéneas, con parámetros "eficaces" correspondientes que incluyen ε y μ "efectivos" y se aplican a la losa en su totalidad. Las inclusiones o celdas individuales pueden tener valores diferentes de la losa. [28] [29] Sin embargo, hay casos en los que la aproximación de medio efectivo no se cumple [30] [31] y es necesario tener en cuenta su aplicabilidad.

Magnetismo de acoplamiento

La permeabilidad magnética negativa se logró originalmente en un medio levógiro a frecuencias de microondas mediante el uso de conjuntos de resonadores de anillo dividido. [32] En la mayoría de los materiales naturales, la respuesta acoplada magnéticamente comienza a disminuir a frecuencias en el rango de los gigahercios , lo que implica que no se produce un magnetismo significativo a frecuencias ópticas. La permeabilidad efectiva de dichos materiales es la unidad, μ eff = 1. Por lo tanto, el componente magnético de un campo electromagnético radiado prácticamente no tiene efecto sobre los materiales naturales a frecuencias ópticas. [33]

En los metamateriales, la célula actúa como un metaátomo, un dipolo magnético de mayor escala , análogo al átomo de tamaño picómetro . En el caso de los metaátomos construidos a partir de oro , se puede lograr un valor μ < 0 en frecuencias de telecomunicaciones , pero no en frecuencias visibles. La frecuencia visible ha sido difícil de alcanzar porque la frecuencia del plasma de los metales es la condición limitante definitiva. [7]

Diseño y fabricación

Las longitudes de onda ópticas son mucho más cortas que las microondas, lo que hace que los metamateriales ópticos de longitudes de onda inferiores sean más difíciles de fabricar. Los metamateriales de microondas se pueden fabricar a partir de materiales de placas de circuitos , mientras que se deben emplear técnicas de litografía para producir PM.

En los experimentos que dieron buenos resultados se utilizó una disposición periódica de cables cortos o piezas metálicas de formas variadas. En otro estudio, toda la placa estaba conectada eléctricamente.

Las técnicas de fabricación incluyen la litografía por haz de electrones , la nanoestructuración con un haz de iones enfocado y la litografía de interferencia . [13] [34] [35] [36]

En 2014 se demostró que un prototipo de metamaterial insensible a la polarización absorbía energía en una banda amplia (una superoctava) de longitudes de onda infrarrojas. El material mostró una absortividad media medida superior al 98% que se mantuvo en un amplio campo de visión de ±45° para longitudes de onda infrarrojas medias entre 1,77 y 4,81 μm. Uno de sus usos es ocultar objetos de los sensores infrarrojos. El paladio proporcionó un mayor ancho de banda que la plata o el oro. Un algoritmo genético modificó aleatoriamente un patrón candidato inicial, probando y eliminando todos menos los mejores. El proceso se repitió durante varias generaciones hasta que el diseño se volvió efectivo. [37] [38]

El metamaterial está formado por cuatro capas sobre un sustrato de silicio. La primera capa es paladio, recubierta de poliimida (plástico) y una pantalla de paladio encima. La pantalla tiene recortes de longitud de onda inferior que bloquean las distintas longitudes de onda. Una capa de poliimida cubre todo el absorbedor. Puede absorber el 90 por ciento de la radiación infrarroja en un ángulo de hasta 55 grados con respecto a la pantalla. Las capas no necesitan una alineación precisa. La capa de poliimida protege la pantalla y ayuda a reducir cualquier desajuste de impedancia que pueda producirse cuando la onda cruza desde el aire hacia el dispositivo. [38]

Investigación

Transmisión unidireccional

En 2015, la luz visible se unió a los NIM de microondas e infrarrojos para propagar la luz en una sola dirección. (En cambio, los " espejos " reducen la transmisión de luz en la dirección inversa, lo que requiere niveles bajos de luz detrás del espejo para funcionar.) [39]

El material combina dos nanoestructuras ópticas: un bloque de múltiples capas de láminas de plata y vidrio alternadas y rejillas de metal. La estructura de plata y vidrio es un metamaterial "hiperbólico", que trata la luz de manera diferente según la dirección en la que viajan las ondas. Cada capa tiene un espesor de decenas de nanómetros, mucho más delgada que las longitudes de onda de la luz visible de 400 a 700 nm, lo que hace que el bloque sea opaco a la luz visible, aunque la luz que ingresa en ciertos ángulos puede propagarse dentro del material. [39]

La adición de rejillas de cromo con espaciamientos inferiores a la longitud de onda desvió las ondas de luz roja o verde entrantes lo suficiente como para que pudieran entrar y propagarse dentro del bloque. En el lado opuesto del bloque, otro conjunto de rejillas permitió que la luz saliera, en ángulo alejado de su dirección original. El espaciado de las rejillas de salida era diferente al de las rejillas de entrada, desviando la luz incidente de modo que la luz externa no pudiera entrar al bloque desde ese lado. Alrededor de 30 veces más luz pasó a través del bloque en la dirección hacia adelante que en la dirección inversa. Los bloques intermedios redujeron la necesidad de una alineación precisa de las dos rejillas entre sí. [39]

Estas estructuras tienen potencial para aplicaciones en comunicación óptica; por ejemplo, podrían integrarse en chips fotónicos de ordenador que dividen o combinan señales transportadas por ondas de luz. Otras aplicaciones potenciales incluyen la biodetección mediante partículas a escala nanométrica para desviar la luz en ángulos lo suficientemente pronunciados como para atravesar el material hiperbólico y salir por el otro lado. [39]

Elementos de circuito agrupados

Al emplear una combinación de nanopartículas plasmónicas y no plasmónicas , parece posible obtener nanocircuitos con elementos de circuito concentrado en frecuencias ópticas e infrarrojas. Los elementos de circuito concentrado convencionales no están disponibles de manera convencional. [40]

Los elementos de circuitos concentrados de sublongitud de onda demostraron ser viables en el dominio de las microondas y la radiofrecuencia (RF). El concepto de elemento concentrado permitió la simplificación de los elementos y la modularización de los circuitos. Existen técnicas de fabricación a nanoescala para lograr geometrías de sublongitud de onda. [40]

Diseño de celdas

Los metales como el oro , la plata , el aluminio y el cobre conducen corrientes a frecuencias de RF y microondas. A frecuencias ópticas, las características de algunos metales nobles se alteran. En lugar de un flujo de corriente normal, se producen resonancias plasmónicas a medida que la parte real de la permitividad compleja se vuelve negativa. Por lo tanto, el flujo de corriente principal es en realidad la densidad de corriente de desplazamiento eléctrico ∂D / ∂t, y puede denominarse como la "corriente óptica que fluye". [40]

En escalas de sublongitud de onda, la impedancia de la célula se vuelve dependiente de la forma, el tamaño , el material y la frecuencia óptica de iluminación. La orientación de la partícula con el campo eléctrico óptico también puede ayudar a determinar la impedancia. Los dieléctricos de silicio convencionales tienen el componente de permitividad real ε real > 0 en frecuencias ópticas, lo que hace que la nanopartícula actúe como una impedancia capacitiva , un nanocondensador. Por el contrario, si el material es un metal noble como el oro o la plata, con ε real < 0, entonces adquiere características inductivas , convirtiéndose en un nanoinductor. La pérdida de material se representa como una nanoresistencia. [40] [41]

Capacidad de ajuste

El esquema que se aplica con más frecuencia para lograr un índice de refracción ajustable es el ajuste electroóptico. En este caso, el cambio en el índice de refracción es proporcional al campo eléctrico aplicado o al módulo cuadrado del campo eléctrico. Estos son el efecto Pockels y el efecto Kerr , respectivamente.

Una alternativa es emplear un material óptico no lineal y depender de la intensidad del campo óptico para modificar el índice de refracción o los parámetros magnéticos. [42]

Capas

El apilamiento de capas produce NIM a frecuencias ópticas. Sin embargo, la configuración de la superficie (no plana, en masa) del SRR normalmente impide el apilamiento. Aunque se puede construir una estructura de SRR de una sola capa sobre una superficie dieléctrica , es relativamente difícil apilar estas estructuras en masa debido a los requisitos de tolerancia de alineación. [5] En 2007 se publicó una técnica de apilamiento para SRR que utiliza espaciadores dieléctricos para aplicar un procedimiento de planarización para aplanar la capa de SRR. [43] Parece que se pueden crear tantas capas como se desee de esta manera, incluida cualquier cantidad elegida de celdas unitarias y disposiciones espaciales variantes de capas individuales. [5] [43] [44]

Duplicación de frecuencia

En 2014, los investigadores anunciaron un espejo no lineal de 400 nanómetros de espesor que duplica la frecuencia y que puede ajustarse para funcionar en frecuencias que van desde el infrarrojo cercano al infrarrojo medio y hasta los terahercios. El material funciona con una intensidad de luz mucho menor que los métodos tradicionales. Para una intensidad de luz de entrada y un espesor de estructura determinados, el metamaterial produjo una salida de intensidad aproximadamente un millón de veces mayor. Los espejos no requieren que coincidan las velocidades de fase de las ondas de entrada y salida. [45]

Puede producir una respuesta no lineal gigante para múltiples procesos ópticos no lineales , como la generación de segundo armónico, suma y diferencia de frecuencias, así como una variedad de procesos de mezcla de cuatro ondas. El dispositivo de demostración convirtió luz con una longitud de onda de 8000 a 4000 nanómetros. [45]

El dispositivo está hecho de una pila de capas delgadas de indio , galio y arsénico o aluminio , indio y arsénico. 100 de estas capas, cada una de entre uno y doce nanómetros de espesor, estaban revestidas en la parte superior por un patrón de nanoestructuras de oro asimétricas y cruzadas que forman pozos cuánticos acoplados y una capa de oro en la parte inferior. [45]

Las posibles aplicaciones incluyen la teledetección y aplicaciones médicas que requieren sistemas láser compactos. [45]

Otro

Las ondas superficiales de Dyakonov [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] (DSW) se relacionan con la birrefringencia relacionada con los cristales fotónicos, la anisotropía del metamaterial. [53] Recientemente, el metamaterial fotónico operó a 780 nanómetros (infrarrojo cercano), [54] [55] [12] 813 nm y 772 nm. [56] [57]

Véase también

Referencias

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Referencias generales

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