Un resonador de anillo dividido ( SRR ) es una estructura producida artificialmente común a los metamateriales . Su finalidad es producir la susceptibilidad magnética (respuesta magnética) deseada en diversos tipos de metamateriales hasta 200 terahercios .
Estos medios crean el fuerte acoplamiento magnético necesario para un campo electromagnético aplicado que de otro modo no estaría disponible en los materiales convencionales. Por ejemplo, un efecto como la permeabilidad negativa se produce con una serie periódica de resonadores de anillos divididos. [4]
Un SRR de una sola celda tiene un par de bucles cerrados con divisiones en los extremos opuestos. Los bucles están hechos de 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 producirán su propio flujo para mejorar u oponerse al campo incidente (dependiendo de las propiedades resonantes del 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 bajas pérdidas radiativas y factores de calidad muy altos . [4] [5] [6]
Los resonadores de anillo partido (SRR) consisten en un par de anillos metálicos concéntricos , grabados sobre un sustrato dieléctrico , con hendiduras 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 negativo y zurdos, donde el valor necesario de la permeabilidad efectiva negativa se debe a la presencia de los SRR. Cuando un conjunto de SRR eléctricamente pequeños se excita mediante 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 líneas de transmisión de metamateriales. [7] [8] [9] [10]
El resonador de anillo dividido era un diseño de microestructura presentado en el artículo de Pendry et al en 1999 llamado "Magnetismo de conductores y fenómenos no lineales mejorados". [11] Propuso que el diseño del resonador de anillo dividido, construido con material no magnético, podría mejorar la actividad magnética que no se ve en los materiales naturales. En el diseño de microestructura simple, se muestra que en una serie de cilindros conductores, con un campo externo aplicado paralelo a los cilindros, la permeabilidad efectiva se puede escribir de la siguiente manera. (Este modelo es muy limitado y la permeabilidad efectiva no puede ser menor que cero o mayor que uno.) [8]
Donde 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 espacios en un diseño de doble cilindro similar a la imagen de arriba, vemos que los espacios 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 [12] conocida en materiales plasmónicos.
Donde d es el espaciado de las láminas conductoras concéntricas [ se necesita aclaración ] . 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 están apiladas una encima de otra por una longitud, l. El resultado final de la permeabilidad efectiva se puede ver a continuación.
donde c es el espesor de la lámina en forma de C y es la resistencia de la unidad de longitud de las láminas medida alrededor de la circunferencia. [8]
El resonador de anillo partido y el propio metamaterial son materiales compuestos. Cada SRR tiene una respuesta individual adaptada al campo electromagnético. Sin embargo, la construcción periódica de muchas células SRR es tal que la onda electromagnética interactúa como si se tratara de materiales homogéneos . Esto es similar a cómo la luz interactúa con los materiales cotidianos; Materiales como el vidrio o las lentes están hechos de átomos, se produce un efecto de promediación o macroscópico.
El SRR está diseñado para imitar la respuesta magnética de los átomos [ se necesita aclaración ] , sólo que a una escala mucho mayor. Además, como parte de una estructura compuesta periódica, el SRR está diseñado 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 [ se necesita aclaración ] que los materiales ferromagnéticos que se encuentran en la naturaleza. La pronunciada respuesta magnética en materiales tan livianos [ se necesita aclaración ] demuestra una ventaja sobre los materiales más pesados que se encuentran de forma natural. 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] [13]
Hay una variedad de resonadores de anillos divididos y estructuras periódicas : anillos divididos de varilla, anillos divididos anidados, anillos divididos simples, anillos divididos deformados, anillos divididos en espiral y estructuras en S extendidas. Las variaciones de resonadores de anillo dividido han logrado diferentes resultados, incluidas estructuras de frecuencia más pequeñas y más altas. Las investigaciones que involucran algunos de estos tipos se analizan a lo largo del artículo. [14]
Hasta la fecha (diciembre de 2009) no se ha logrado la capacidad de obtener los resultados deseados en el espectro visible . Sin embargo, en 2005 se observó que, físicamente, un resonador circular anidado de anillo dividido debe tener un radio interior de 30 a 40 nanómetros para tener éxito en el rango medio del espectro visible. [14] Las técnicas de microfabricación y nanofabricación pueden utilizar escritura directa con rayo láser o litografía con haz de electrones dependiendo de la resolución deseada. [14]
Los resonadores de anillo dividido (SRR) son uno de los elementos más comunes utilizados para fabricar metamateriales . [16] Los resonadores de anillo dividido son materiales no magnéticos , que inicialmente se fabricaron a partir de material de placa de circuito para crear metamateriales. [17]
Al observar la imagen directamente a la derecha, se puede ver que al principio un solo SRR parece un objeto con dos perímetros cuadrados, cada perímetro tiene una pequeña sección eliminada. Esto da como resultado formas de "C" cuadradas en material de placa de circuito impreso de fibra de vidrio . [16] [17] En este tipo de configuración, en realidad se trata de dos bandas concéntricas de material conductor no magnético . [16] Hay un espacio en cada banda colocado a 180° entre sí. [16] El espacio en cada banda le da la distintiva forma de "C", en lugar de una forma totalmente circular o cuadrada. [16] [17] Luego, se fabrican múltiples celdas de esta configuración de doble banda en material de placa de circuito mediante una técnica de grabado y se recubren con conjuntos de tiras de alambre de cobre. [17] Después del procesamiento, las tablas se cortan y ensamblan en una unidad entrelazada. [17] Está construido en una matriz periódica con una gran cantidad de SRR. [17]
En la actualidad existen varias configuraciones diferentes que utilizan la nomenclatura SRR.
Se utilizó una serie periódica de SRR para la primera demostración de un índice de refracción negativo . [17] Para esta demostración, se fabricaron SRR de forma cuadrada , con configuraciones de alambre revestido, en una estructura celular dispuesta periódica. [17] Esta es la sustancia del metamaterial. [17] Luego se cortó un prisma metamaterial de este material. [17] 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. [17]
Justo antes de este experimento con prismas, Pendry et al. pudo demostrar que se podría utilizar una matriz tridimensional de cables delgados que se cruzan para crear valores negativos de ε. En una demostración posterior, una serie periódica de resonadores de anillos divididos de cobre podría producir un μ negativo efectivo. En 2000 Smith et al. fueron los primeros en combinar con éxito los dos conjuntos y producir el llamado material zurdo , que tiene valores negativos de ε y μ para una banda de frecuencias en el rango de GHz. [17]
Los SRR se utilizaron por primera vez para fabricar metamateriales zurdos para el rango de microondas [17] y varios años más tarde para el rango de terahercios . [18] En 2007, muchos grupos habían logrado una demostración experimental de esta estructura en frecuencias de microondas. [19] Además, los SRR se han utilizado para la investigación de metamateriales acústicos. [20] Los SRR y los cables dispuestos del primer metamaterial zurdo se fusionaron en capas alternas. [21] Este concepto y metodología se aplicaron 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 ". [20] Otro análisis mostró que los materiales zurdos se fabrican a partir de componentes no homogéneos, lo que aún da como resultado un material macroscópicamente homogéneo . [20] Los SRR se habían utilizado para enfocar una señal desde una fuente puntual, aumentando la distancia de transmisión de ondas de campo cercano . [20] 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). [17] [20] [21]
Los fenómenos de resonancia que se producen en este sistema son fundamentales para conseguir los efectos deseados. [19]
Los SRR también exhiben una respuesta eléctrica resonante además de su respuesta magnética resonante. [21] 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. [22] La lógica original detrás de los SRR específicamente, y de los metamateriales en general, era crear una estructura que imita una estructura atómica dispuesta solo en una escala mucho mayor.
En la investigación basada en metamateriales, y específicamente en índice de refracción negativo , existen diferentes tipos de resonadores de anillos partidos. De los ejemplos que se mencionan a continuación, la mayoría tiene un espacio en cada anillo. En otras palabras, con una estructura de doble anillo, cada anillo tiene un hueco. [23]
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 unidimensionales como esta son más fáciles de fabricar en comparación con la construcción de una estructura bidimensional rígida. [23]
La estructura de anillo simétrica es otro ejemplo clásico. Descrito por la nomenclatura, se trata de dos configuraciones rectangulares cuadradas tipo D, exactamente del mismo tamaño, colocadas planas, una al lado de la otra, en la celda unitaria . 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 están uno frente al otro, en la celda unitaria. [23]
La Estructura Omega , como describe la nomenclatura, tiene una estructura de anillo en forma de Ω. [24] Hay dos de estos, de pie verticalmente, uno al lado del otro, en lugar de 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 la regla es de 3,33 mm. [23]
Otro metamaterial nuevo en 2005 fue una estructura acoplada en forma de S. Hay dos estructuras verticales en forma de S, una al lado de la otra, en una celda unitaria. No hay ningún hueco como en la estructura de 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 eléctrico y una frecuencia de resonancia magnética. [23] [25]
El 1 de mayo de 2000, se publicó una investigación sobre un experimento que involucraba cables conductores colocados simétricamente dentro de cada celda de un conjunto de resonadores periódicos de anillo dividido . Esto logró efectivamente permeabilidad y permitividad negativas para las ondas electromagnéticas en el régimen de microondas . El concepto se utilizó y se sigue utilizando para construir elementos que interactúan más pequeños que la radiación electromagnética aplicada. Además, la separación entre los resonadores es mucho menor que la longitud de onda de la radiación aplicada. [26]
Además, las divisiones en el anillo permiten que la unidad SRR alcance 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. [26] La investigación también ha cubierto variaciones en las resonancias magnéticas para diferentes configuraciones de SRR. [27] [28] [29] La investigación ha continuado sobre radiaciones de terahercios con SRR [30] Otros trabajos relacionados crearon configuraciones de metamateriales con fractales [24] y estructuras que no son SRR. Estos se pueden construir con materiales como cruces metálicas periódicas o estructuras de anillos concéntricos en constante ampliación conocidas como rollos suizos. [31] [32] [33] [34] Se ha analizado la permeabilidad solo para la longitud de onda roja a 780 nm y junto con otros trabajos relacionados. [35] [36] [37]
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