Un metamaterial no lineal es un material construido artificialmente que puede exhibir propiedades que aún no se encuentran en la naturaleza. Su respuesta a la radiación electromagnética se puede caracterizar por su permitividad y permeabilidad del material . El producto de la permitividad y la permeabilidad da como resultado el índice de refracción . A diferencia de los materiales naturales, los metamateriales no lineales pueden producir un índice de refracción negativo. Estos también pueden producir una respuesta no lineal más pronunciada que los materiales naturales.
Los metamateriales no lineales son un medio de transmisión periódico y no lineal . Estos son un tipo de metamaterial de índice negativo donde la no linealidad está disponible porque el campo eléctrico microscópico de las inclusiones puede ser mayor que el campo eléctrico macroscópico de la fuente electromagnética (EM) . Esto se convierte entonces en una herramienta útil que permite mejorar el comportamiento no lineal del metamaterial . Sin embargo, se puede derivar una respuesta no lineal dominante de la dependencia de tipo histéresis de la permeabilidad magnética del material con respecto al componente magnético de la onda electromagnética incidente (luz) que se propaga a través del material. Además, la dependencia de tipo histéresis de la permeabilidad magnética de la intensidad del campo permite cambiar el material de izquierda a derecha y viceversa.
Los medios no lineales son esenciales para la óptica no lineal . Sin embargo, la mayoría de los materiales ópticos tienen una respuesta no lineal relativamente débil, lo que significa que sus propiedades solo cambian una pequeña cantidad ante grandes cambios en la intensidad del campo electromagnético . Los metamateriales no lineales pueden superar esta limitación, ya que los campos locales de las estructuras resonantes pueden ser mucho mayores que el valor promedio del campo [1] [2] [3] - en este sentido los metamateriales son similares a otros medios compuestos, como por ejemplo Compuestos aleatorios de metal-dieléctrico , incluidos grupos fractales y películas metálicas de percolación/semicoutinouos, donde las áreas con campos de luz locales mejorados [4] - "puntos calientes" [a] - producen respuestas ópticas lineales y no lineales gigantes. [6] [7] [8] [9]
Los metamateriales son encarnaciones de materiales propuestos por primera vez por el teórico ruso Victor Veselago en 1967.
Se están desarrollando metamateriales no lineales , un tipo de metamaterial , para manipular la radiación electromagnética de nuevas formas. Las propiedades ópticas y electromagnéticas de los materiales naturales a menudo se alteran mediante la química. Con los metamateriales se pueden diseñar propiedades ópticas y electromagnéticas a través de la geometría de sus celdas unitarias. Las celdas unitarias son materiales que se ordenan en arreglos geométricos con dimensiones que son fracciones de la longitud de onda de la onda electromagnética radiada . [10] [11]
Al tener la libertad de alterar los efectos ajustando las configuraciones y tamaños de las celdas unitarias, se puede lograr el control sobre la permitividad y la permeabilidad magnética . Estos dos parámetros (o cantidades) determinan la propagación de ondas electromagnéticas en la materia. Por lo tanto, se pueden ampliar los efectos electromagnéticos y ópticos alcanzables.
Las propiedades ópticas se pueden ampliar más allá de las capacidades de las lentes, espejos y otros materiales convencionales. Uno de los efectos más estudiados es el índice de refracción negativo propuesto por primera vez por Victor Veselago en 1967. Los materiales de índice negativo exhiben propiedades ópticas opuestas a las del vidrio, el aire y otros materiales convencionales. A las frecuencias correctas, los materiales de índice negativo refractan las ondas electromagnéticas de formas novedosas, hasta un índice cero o un índice negativo. Además, la energía puede propagarse en dirección opuesta lo que puede dar lugar a mecanismos de compensación, entre otras posibilidades. [11] [12] [13] [14]
Los materiales que dispersan la luz u otras ondas electromagnéticas crean un proceso físico general en el que las diferentes frecuencias de la luz se ven obligadas a desviarse de una trayectoria recta. Esto se debe a que, físicamente, el material no es uniforme en uno, más o muchos lugares. [15]
Además, las ciencias ópticas hacen predicciones sobre el camino de la luz a través de un material. Cuando la luz se desvía de su trayectoria prevista (reflejada), esto también se considera dispersión . Los resonadores de anillos divididos que forman los metamateriales están diseñados para dispersar la luz en resonancia . Además, estos elementos de dispersión resonante están diseñados expresamente con un tamaño uniforme en todo el material. Este tamaño uniforme es mucho menor que la longitud de onda de la frecuencia de la luz que se propaga a través del material. [15]
Dado que los elementos resonantes, repetidos y dispersos que componen el material diseñado son mucho más pequeños que la frecuencia de propagación de la luz, los metamateriales ahora también pueden describirse en términos de cantidades macroscópicas . Esta descripción es simplemente otra forma de ver los metamateriales. Y éstas son la permitividad eléctrica , ε y la permeabilidad magnética , μ . [15] [16]
Por lo tanto, al diseñar la unidad individual del material con forma geométrica , llamada celda, como el tipo correcto de compuesto, se convierte en un material con propiedades macroscópicas que no ocurren en la naturaleza . [15] [16]
De particular interés con respecto a los metamateriales no lineales es la propiedad macroscópica inducida artificialmente conocida como índice de refracción negativo . Este efecto es creado por metamateriales de índice negativo (NIM), que se emplean como metamateriales no lineales . [1] [15] [16] [17] [18] [19] En los NIM, los fenómenos no lineales como la generación de segundos armónicos y la amplificación paramétrica pueden adquirir características muy inusuales. Es decir, el hecho de que el vector de onda y el vector de Poynting de una onda que se propaga en un NIM estén contradirigidos altera las condiciones de coincidencia de fases para las ondas que interactúan, lo que da como resultado ondas que se propagan hacia atrás, así como cambios considerablemente en las relaciones de Manley-Rowe y en la distribución. en el espacio de la intensidad de los campos que interactúan. [20]
Los estudios anteriores de metamateriales de índice negativo o zurdo se centraron en las propiedades lineales del medio durante la propagación de las ondas . En tales casos, la opinión era que la permeabilidad magnética y la permitividad material no dependen de la intensidad del campo electromagnético. Sin embargo, la creación de estructuras sintonizables requiere conocimiento de propiedades no lineales donde la intensidad del campo electromagnético altera la permitividad, o la permeabilidad, o ambas, lo que a su vez afecta el rango de los espectros de transmisión o espectros de banda de parada . Por tanto, la permeabilidad efectiva depende de la intensidad del campo magnético macroscópico . A medida que varía la intensidad del campo, puede ocurrir un cambio entre sus valores positivos y negativos. En consecuencia, el material puede pasar de ser zurdo a diestro, o viceversa. [2] [17]
Una estructura compuesta que consta de una red cuadrada de conjuntos periódicos de cables conductores y resonadores de anillos divididos produce una respuesta magnética mejorada. Sin la respuesta magnética correcta, no es posible producir un material zurdo. [2] [17]
Se incorporan diodos de capacitancia variable en la celda de anillo dividido, lo que produce un sistema dinámico sintonizable. [18]
Se aplica una fuente de radiación de longitudes de onda del infrarrojo cercano a un sistema metamaterial . El índice de refracción se puede reconfigurar para exhibir valores negativos, cero o valores positivos. [19]
La fabricación y los estudios experimentales de las propiedades del primer metamaterial sintonizable no lineal se realizaron en frecuencias de microondas . Dicho metamaterial se fabricó modificando las propiedades de los SRR e introduciendo diodos varactor en cada elemento SRR de la estructura compuesta de modo que toda la estructura se vuelva dinámicamente sintonizable variando la amplitud de las ondas electromagnéticas que se propagan . En particular, se demostró la transmisión dependiente de la potencia de los metamateriales zurdos y magnéticos a potencias superiores, así como la generación de armónicos particulares, como se sugirió teóricamente anteriormente. [15]
La fabricación y los estudios experimentales de las propiedades del metamaterial magnético sintonizable no lineal se realizaron en frecuencias de microondas. Los diodos varactor se introducen simétricamente, lo que da como resultado una sintonizabilidad dinámica para toda la estructura. Dado que el componente magnético de la interacción determina la aplicación, se demuestra la dependencia de la energía. La mejora o supresión de la transmisión que no depende de la linealidad resulta ser sintonizable dinámicamente. [21]
Se propone y diseña un nuevo tipo de metamateriales no lineales, que exhiben una respuesta eléctrica resonante en frecuencias de microondas. Al introducir un diodo varactor como elemento no lineal dentro de cada resonador, la frecuencia de la banda de parada del modo eléctrico se desplaza cambiando la potencia incidente sin afectar la respuesta magnética. Estos elementos podrían combinarse con los metamateriales magnéticos no lineales desarrollados previamente para crear medios de índice negativo con control sobre las no linealidades eléctricas y magnéticas. [22]
Los resonadores no lineales están diseñados de manera similar. Se obtiene una fuerte respuesta eléctrica no lineal. [22]
Al cubrir las fuentes con una delgada lente plana no lineal, se puede lograr la observación del límite de subdifracción midiendo la distribución de campo cercano o la radiación de campo lejano de las fuentes en las frecuencias armónicas y calculando el IFT para obtener la subdifracción. -Imágenes de longitud de onda. Cuanto mayor sea el orden de armónicos que se utilicen, mayor será la resolución. [23]
Se diseña y analiza un nuevo tipo de metamaterial no lineal con una respuesta eléctrica negativa dominante. Introducir no linealidad en la respuesta eléctrica la hace sintonizable y deja la respuesta magnética sin cambios. Es posible un NIM no lineal que contenga elementos eléctricos y magnéticos sintonizables, que puedan responder de forma independiente. [24]
Es bien sabido que, en determinadas frecuencias, los metales típicos pueden reflejar campos electromagnéticos (EM) y, por tanto, pueden utilizarse como materiales de protección electromagnética. Sin embargo, los LHM lineales convencionales no se pueden utilizar para proteger campos electromagnéticos. Esto se modifica drásticamente cuando se tiene en cuenta la no linealidad de la respuesta magnética, creando un efecto de blindaje controlable en los LHM, acompañado de una reflexión paramétrica. [25]
Un metadímero se compone de dos SRR separados espacialmente, siendo los dos SRR idénticos en cada celda unitaria. La proximidad de los SRR en el dímero da como resultado un acoplamiento relativamente fuerte entre ellos. Un metamaterial que comprende una gran cantidad de tales metadímeros se puede utilizar como un medio sintonizable activamente en longitudes de onda ópticas. Si uno o ambos SRR en el metadímero se vuelven no lineales, el propio metamaterial adquiere propiedades no lineales. Esto puede permitir un comportamiento no lineal, como la sintonizabilidad en tiempo real. Los estereometamateriales también son un tipo de metadímero. [dieciséis]
