refracción negativa

La refracción negativa es el fenómeno electromagnético en el que los rayos de luz se refractan en una interfaz opuesta a sus propiedades refractivas positivas más comúnmente observadas. La refracción negativa se puede obtener utilizando un metamaterial que ha sido diseñado para lograr un valor negativo de permitividad (eléctrica) (ε) y permeabilidad (magnética) (μ); en tales casos, al material se le puede asignar un índice de refracción negativo . Estos materiales a veces se denominan materiales "doble negativos". ^[1]

La refracción negativa ocurre en interfaces entre materiales en los que uno tiene una velocidad de fase positiva ordinaria (es decir, un índice de refracción positivo) y el otro tiene una velocidad de fase negativa más exótica (un índice de refracción negativo).

Velocidad de fase negativa

La velocidad de fase negativa (NPV) es una propiedad de la propagación de la luz en un medio . Existen diferentes definiciones de VPN; la más común es la propuesta original de Victor Veselago de oposición del vector de onda y (Abraham) el vector de Poynting . Otras definiciones incluyen la oposición del vector de onda a la velocidad del grupo y de la energía a la velocidad. ^[2] "Velocidad de fase" se utiliza convencionalmente, ya que la velocidad de fase tiene el mismo signo que el vector de onda.

Un criterio típico utilizado para determinar el VPN de Veselago es que el producto escalar del vector de Poynting y el vector de onda es negativo (es decir, eso ), pero esta definición no es covariante . Si bien esta restricción no es significativa en la práctica, el criterio se ha generalizado a una forma covariante. ^[3] Los medios Veselago NPV también se denominan "(meta)materiales zurdos", ya que los componentes de las ondas planas que pasan a través de ellos (campo eléctrico, campo magnético y vector de onda) siguen la regla de la mano izquierda en lugar de la de la derecha. regla . Generalmente se evitan los términos "zurdo" y "diestro", ya que también se utilizan para referirse a medios quirales . $\scriptstyle {\vec {P}}\cdot {\vec {k}}<0$

Índice de refracción negativo

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

Vídeo que representa la refracción negativa de la luz en una interfaz plana uniforme.

Se puede optar por evitar considerar directamente el vector de Poynting y el vector de onda de un campo de luz que se propaga y, en cambio, considerar directamente la respuesta de los materiales. Suponiendo que el material es aquiral, se puede considerar qué valores de permitividad (ε) y permeabilidad (μ) dan como resultado una velocidad de fase negativa (NPV). Dado que tanto ε como μ son generalmente complejos, sus partes imaginarias no tienen que ser negativas para que un material pasivo (es decir, con pérdidas ) muestre una refracción negativa. En estos materiales, Depine y Lakhtakia derivan que el criterio para la velocidad de fase negativa es

\epsilon _{r}|\mu |+\mu _{r}|\epsilon |<0,

donde están las partes con valor real de ε y μ, respectivamente. Para los materiales activos el criterio es diferente. ^[4]^[5] $\epsilon _{r},\mu _{r}$

La aparición del VPN no implica necesariamente una refracción negativa (índice de refracción negativo). ^[6]^[7] Normalmente, el índice de refracción se determina utilizando $n$

n=\pm {\sqrt {\epsilon \mu }}

donde por convención se elige la raíz cuadrada positiva para . Sin embargo, en materiales VPN, se elige la raíz cuadrada negativa para imitar el hecho de que el vector de onda y la velocidad de fase también están invertidos. El índice de refracción es una cantidad derivada que describe cómo se relaciona el vector de onda con la frecuencia óptica y la dirección de propagación de la luz; por lo tanto, el signo de debe elegirse de manera que coincida con la situación física. $n$ $n$

En materiales quirales

El índice de refracción también depende del parámetro de quiralidad , lo que da como resultado valores distintos para ondas polarizadas circularmente izquierda y derecha, dado por $n$ $\kappa$

n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa

Se produce un índice de refracción negativo para una polarización si > ; en este caso, y/o no es necesario que sea negativo. Pendry y Tretyakov et al. predijeron un índice de refracción negativo debido a la quiralidad. , ^[8]^[9] y observado por primera vez de forma simultánea e independiente por Plum et al. y Zhang et al. en 2009. ^[10]^[11] $\kappa$ ${\sqrt {\epsilon _ {r} \ mu _ {r}}}$ $\epsilon _{r}$ $\mu _{r}$

Refracción

La consecuencia de la refracción negativa es que los rayos de luz se refractan en el mismo lado de la normal al entrar en el material, como se indica en el diagrama, y mediante una forma general de la ley de Snell .

Ver también

Interacciones electromagnéticas

Referencias

^ Slyusar, Vadym I. (10 de octubre de 2009). "Metamateriales en soluciones de antenas" (PDF) . Actas de la conferencia internacional sobre teoría y técnicas de antenas : 19–24. doi :10.1109/ICATT.2009.4435103 (inactivo el 31 de enero de 2024).{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )
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