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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, abarcando longitudes de onda de terahercios ( THz ), infrarroja (IR) o visible . [1] Los materiales emplean una estructura celular periódica .

La periodicidad de la sublongitud de onda [2] distingue los metamateriales fotónicos de la banda prohibida fotónica o las estructuras cristalinas fotónicas . Las células están en una escala que es magnitudes mayores que la del átomo, pero mucho más pequeñas que la longitud de onda radiada, [3] [4] son ​​del orden de nanómetros . [3] [4] [5]

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

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

Las aplicaciones potenciales incluyen ópticas de encubrimiento y transformación . [10]

Los cristales fotónicos se diferencian de las PM 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 ( permisividad ) o u ( permeabilidad ). [11]

Historia

Mientras investigaba si la materia interactúa o no con la componente magnética de la luz, Victor Veselago (1967) vislumbró la posibilidad de una 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]

Una comparación de la refracción en un metamaterial zurdo con la de un material normal

A mediados de la década de 1990, los metamateriales fueron vistos por primera vez como tecnologías potenciales para aplicaciones como la obtención de imágenes a escala nanométrica y el ocultamiento de objetos . Por ejemplo, en 1995, Guerra [17] fabricó una rejilla transparente con líneas y espacios de 50 nm, y luego combinó este (lo que más tarde se llamaría) metamaterial fotónico con un objetivo de inmersión para resolver una rejilla de silicio con 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 longitud de onda inferior (metamateriales fotónicos) para el almacenamiento de datos ópticos a densidades muy por encima del límite de difracción. En 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 una permeabilidad negativa dentro de un rango de frecuencia estrecho. Esto se combinó con un poste conductor eléctrico colocado simétricamente , lo que creó el primer metamaterial de índice negativo, que opera en la banda de microondas. Experimentos y simulaciones demostraron la presencia de una banda de propagación zurda, un material zurdo. La primera confirmación experimental del índice de refracción negativo se produjo 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 . El conjunto de resonadores cuadrados de anillos partidos le da al material una permeabilidad magnética negativa, mientras que el conjunto de cables rectos le da una permitividad negativa.

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

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

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

Los materiales ferromagnéticos y antiferromagnéticos naturales pueden lograr resonancia magnética, pero con pérdidas significativas. En materiales naturales como imanes naturales y ferritas , la resonancia para la respuesta eléctrica (acoplamiento) y la respuesta magnética (acoplamiento) no ocurre a la misma frecuencia.

Frecuencia óptica

Los SRR de metamateriales fotónicos han alcanzado escalas inferiores a 100 nanómetros, utilizando haz de electrones y nanolitografía . Una celda SRR a nanoescala tiene tres pequeñas varillas metálicas que están conectadas físicamente. Éste tiene forma de U y funciona como nanoinductor . El espacio entre las puntas en forma de U funciona como un nanocondensador . Por tanto, es un resonador óptico nano-LC . 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 del vacío de la luz c 0 en la frecuencia de resonancia. Luego, las inclusiones se pueden evaluar utilizando una aproximación media eficaz. [5] [13]

Los PM muestran una respuesta magnética con magnitud útil en frecuencias ópticas. Esto incluye la permeabilidad negativa, a pesar de la ausencia de materiales magnéticos. De manera análoga al material óptico ordinario, las PM pueden tratarse como un medio efectivo que se caracteriza por 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 medio efectivo

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

Magnetismo de acoplamiento

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

En los metamateriales, la célula actúa como un metaátomo, un dipolo magnético de mayor escala , análogo al átomo del tamaño de un picómetro . Para metaátomos construidos a partir de oro , μ <0 se puede lograr 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 última. [7]

Diseño y fabricación

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

Los experimentos exitosos utilizaron una disposición periódica de alambres cortos o piezas metálicas con formas variadas. En un estudio diferente se conectó eléctricamente toda la losa.

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

En 2014, se demostró que un prototipo de metamaterial insensible a la polarización absorbe energía en una banda ancha (una superoctava) de longitudes de onda infrarrojas. El material mostró una absortividad promedio medida superior al 98% que mantuvo en un amplio campo de visión de ±45° para longitudes de onda del infrarrojo medio entre 1,77 y 4,81 μm. Un uso es ocultar objetos de los sensores infrarrojos. El paladio proporcionó 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 hizo efectivo. [37] [38]

El metamaterial está hecho de cuatro capas sobre un sustrato de silicio. La primera capa es de paladio, cubierta por poliimida (plástico) y una pantalla de paladio en la parte superior. La pantalla tiene recortes de sublongitud de onda que bloquean las distintas longitudes de onda. Una capa de poliimida cubre todo el absorbente. 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 tapa de poliimida protege la pantalla y ayuda a reducir cualquier desajuste de impedancia que pueda ocurrir 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. Los (" espejos " en cambio reducen la transmisión de luz en la dirección inversa, lo que requiere niveles bajos de luz detrás del espejo para funcionar).

El material combinaba dos nanoestructuras ópticas: un bloque multicapa de láminas de plata y vidrio alternadas y rejillas de metal. La estructura de vidrio plateado es un metamaterial "hiperbólico", que trata la luz de manera diferente según la dirección en la que viajan las ondas. Cada capa tiene decenas de nanómetros de espesor, mucho más delgada que las longitudes de onda de 400 a 700 nm de la luz visible, 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 las longitudes de onda dobló 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 rejas permitía la salida de la luz, en un ángulo alejado de su dirección original. La separación de las rejas de salida era diferente a la de las rejas de entrada, desviando la luz incidente de modo que la luz externa no podía entrar al bloque por ese lado. Alrededor de 30 veces más luz pasó hacia adelante que hacia atrás. 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 de computadora fotónicos que dividen o combinan señales transportadas por ondas de luz. Otras aplicaciones potenciales incluyen la biodetección utilizando partículas a nanoescala para desviar la luz a ángulos lo suficientemente pronunciados como para viajar a través del material hiperbólico y salir por el otro lado. [39]

Elementos de circuito agrupados

Al emplear una combinación de nanopartículas plasmónicas y no plasmónicas , parecen posibles nanocircuitos de elementos de circuito agrupados en frecuencias infrarrojas y ópticas. Los elementos de circuito agrupados convencionales no están disponibles de forma convencional. [40]

Los elementos de circuito agrupados por debajo de la longitud de onda demostraron ser viables en el dominio de las microondas y la radiofrecuencia (RF). El concepto de elementos agrupados permitió la simplificación de elementos y la modularización de circuitos. Existen técnicas de fabricación a nanoescala para lograr geometrías por debajo de la longitud de onda. [40]

diseño celular

Metales como el oro , la plata , el aluminio y el cobre conducen corrientes en frecuencias de RF y microondas. En las frecuencias ópticas se alteran las características de algunos metales nobles. En lugar del flujo de corriente normal, se producen resonancias plasmónicas cuando 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 "corriente óptica que fluye". [40]

En escalas de sublongitud de onda, la impedancia de la célula depende de la forma, el tamaño , el material y la iluminación de frecuencia óptica. 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 nanorresistencia. [40] [41]

Sintonización

El esquema más comúnmente aplicado para lograr un índice de refracción sintonizable es la sintonización electroóptica. Aquí el cambio en el índice de refracción es proporcional al campo eléctrico aplicado o es proporcional al módulo cuadrado del campo eléctrico. Se trata del efecto Pockels y del 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 en frecuencias ópticas. Sin embargo, la configuración de la superficie (no plana, voluminosa) del SRR normalmente impide el apilamiento. Aunque se puede construir una estructura 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 SRR. [43] Parece que de esta manera se pueden crear muchas capas arbitrarias, incluido cualquier número elegido de celdas unitarias y variantes de disposiciones espaciales 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 se puede sintonizar para funcionar en frecuencias de infrarrojo cercano a infrarrojo medio y de terahercios. El material funciona con una luz de intensidad mucho menor que los enfoques 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 hacer coincidir 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 frecuencia, así como una variedad de procesos de mezcla de cuatro ondas. El dispositivo de demostración convirtió luz con una longitud de onda de 8.000 a 4.000 nanómetros. [45]

El dispositivo está hecho de una pila de finas capas 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 enfrentadas en la parte superior por un patrón de nanoestructuras de oro cruzadas y asimétricas que forman pozos cuánticos acoplados y una capa de oro en la parte inferior. [45]

Las aplicaciones potenciales incluyen aplicaciones médicas y de detección remota 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 cristales fotónicos, anisotropía metamaterial. [53] Metamaterial fotónico recientemente operado a 780 nanómetros (infrarrojo cercano), [54] [55] [12] 813 nm y 772 nm. [56] [57]

Ver también

Referencias

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Referencias generales

enlaces externos