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Metasuperficie electromagnética

Una metasuperficie electromagnética sintonizable por líquido

Una metasuperficie electromagnética se refiere a un tipo de material laminar artificial con un espesor inferior a la longitud de onda. Las metasuperficies pueden ser estructuradas o no estructuradas con patrones escalados por debajo de la longitud de onda en las dimensiones horizontales. [1] [2] [3]

En la teoría electromagnética, las metasuperficies modulan los comportamientos de las ondas electromagnéticas a través de condiciones de contorno específicas en lugar de parámetros constitutivos en el espacio tridimensional (3D), que se explota comúnmente en materiales naturales y metamateriales . Las metasuperficies también pueden referirse a las contrapartes bidimensionales de los metamateriales. [4] [5] También hay metasuperficies 2.5D que involucran la tercera dimensión como grado adicional de libertad para adaptar su funcionalidad. [6]

Definiciones

Los investigadores han definido las metasuperficies de varias maneras.

1, “Un enfoque alternativo que ha ganado cada vez más atención en los últimos años se ocupa de matrices plasmónicas unidimensionales y bidimensionales (1D y 2D) con periodicidad inferior a la longitud de onda, también conocidas como metasuperficies. Debido a su espesor insignificante en comparación con la longitud de onda de operación, las metasuperficies pueden (casi resonancias de los componentes de la celda unitaria) considerarse como una interfaz de discontinuidad que impone un cambio abrupto tanto en la amplitud como en la fase de la luz incidente”. [7]

2, "Nuestros resultados pueden entenderse utilizando el concepto de metasuperficie, un conjunto periódico de elementos de dispersión cuyas dimensiones y períodos son pequeños en comparación con la longitud de onda operativa". [8]

3, “Metasuperficies basadas en películas delgadas”. Una película ultrafina altamente absorbente sobre un sustrato también puede considerarse una metasuperficie, con propiedades que no se encuentran en los materiales naturales. [3] Siguiendo esta definición, las películas metálicas delgadas como las de las superlentes son también el tipo inicial de metasuperficies. [9]

Historia

La investigación de metasuperficies electromagnéticas tiene una larga historia. A principios de 1902, Robert W. Wood descubrió que los espectros de reflexión de rejillas metálicas por debajo de la longitud de onda tenían áreas oscuras. Este fenómeno inusual se denominó anomalía de Wood y condujo al descubrimiento del polariton del plasmón superficial (SPP), [10] una onda electromagnética particular excitada en las superficies metálicas. Posteriormente, se introdujo otro fenómeno importante, la relación Levi-Civita [11] , que establece que una película de espesor inferior a la longitud de onda puede provocar un cambio dramático en las condiciones de contorno electromagnéticas.

En términos generales, las metasuperficies podrían incluir algunos conceptos tradicionales en el espectro de microondas, como superficies selectivas de frecuencia (FSS), láminas de impedancia e incluso láminas óhmicas. En el régimen de microondas, el espesor de estas metasuperficies puede ser mucho menor que la longitud de onda de operación (por ejemplo, 1/1000 de la longitud de onda), ya que la profundidad de la piel podría ser mínima para metales altamente conductores. Recientemente, se demostraron algunos fenómenos novedosos, como la absorción perfecta coherente de banda ultraancha . Los resultados mostraron que una película de 0,3 nm de espesor podía absorber todas las ondas electromagnéticas en las frecuencias de RF, microondas y terahercios. [12] [13] [14]

En aplicaciones ópticas, un revestimiento antirreflectante también podría considerarse como una simple metasuperficie, como observó por primera vez Lord Rayleigh.

En los últimos años, se han desarrollado varias metasuperficies nuevas, incluidas metasuperficies plasmónicas , [15] [4] [7] [16] [17] metasuperficies basadas en fases geométricas, [18] [19] metasuperficies basadas en láminas de impedancia, [20 ] [21] y metasuperficies simétricas de deslizamiento. [22]

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más importantes de las metasuperficies es controlar un frente de ondas electromagnéticas impartiendo cambios de fase de gradiente locales a las ondas entrantes, lo que conduce a una generalización de las antiguas leyes de reflexión y refracción . [18] De esta manera, una metasuperficie se puede utilizar como lente plana, [23] [24] lente de iluminación, [25] holograma plano, [26] generador de vórtice, [27] deflector de haz, axicon, etc. [19] [28]

Además de las lentes de metasuperficie con gradiente, las superlentes basadas en metasuperficie ofrecen otro grado de control del frente de onda mediante el uso de ondas evanescentes. Con plasmones superficiales en las capas metálicas ultrafinas, sería posible obtener imágenes perfectas y litografía de súper resolución, lo que rompe la suposición común de que todos los sistemas de lentes ópticas están limitados por la difracción, un fenómeno llamado límite de difracción . [29] [30]

Otra aplicación prometedora se encuentra en el campo de la tecnología sigilosa . La sección transversal del radar de un objetivo (RCS) se ha reducido convencionalmente mediante material absorbente de radiación (RAM) o moldeando específicamente los objetivos de manera que la energía dispersada pueda redirigirse lejos de la fuente. Desafortunadamente, las RAM tienen una funcionalidad de banda de frecuencia estrecha y su propósito limita el rendimiento aerodinámico del objetivo. Se han sintetizado metasuperficies que redirigen la energía dispersa lejos de la fuente utilizando la teoría de matrices [31] [32] [33] o la ley generalizada de Snell. [34] [35] Esto ha llevado a formas aerodinámicamente favorables para los objetivos con RCS reducido.

Metasurface también se puede integrar con guías de ondas ópticas para controlar ondas electromagnéticas guiadas . [36] [37] Las aplicaciones para metaguías de ondas , como convertidores de modo de guía de ondas integrados, [37] generaciones de luz estructurada, [38] [39] multiplexores versátiles, [40] [41] y redes neuronales fotónicas [42] pueden ser activado.

Además, las metasuperficies también se aplican en absorbentes electromagnéticos, convertidores de polarización y filtros de espectro. También han surgido y se ha informado recientemente sobre nuevos dispositivos de bioimagen y biodetección basados ​​en metasuperficies. [43] [44] [45] [46] Para muchos dispositivos de bioimagen de base óptica, su tamaño voluminoso y su gran peso físico han limitado su uso en entornos clínicos. [47] [48]

Simulación

Para analizar estas metasuperficies ópticas planas de manera eficiente, los algoritmos basados ​​en prismas permiten la discretización del espacio prismático triangular, que es óptima para geometrías planas. El algoritmo basado en prismas tiene menos elementos que los métodos tetraédricos convencionales, lo que aporta una mayor eficiencia computacional. [49] Se ha publicado en línea un conjunto de herramientas de simulación que permite a los usuarios analizar de manera eficiente metasuperficies con patrones de píxeles personalizados. [50]

Caracterización óptica

La caracterización de metasuperficies en el dominio óptico requiere métodos de obtención de imágenes avanzados, ya que las propiedades ópticas involucradas a menudo incluyen propiedades tanto de fase como de polarización . Trabajos recientes sugieren que la pticografía vectorial , un método de obtención de imágenes computacional desarrollado recientemente, parece muy relevante. Combina el mapeo de la matriz de Jones con una resolución lateral microscópica, incluso en especímenes grandes. [51]

Referencias

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