Un metamaterial de terahercios es una clase de metamateriales compuestos diseñados para interactuar en frecuencias de terahercios (THz). El rango de frecuencia de terahercios utilizado en la investigación de materiales se define generalmente como de 0,1 a 10 THz . [nota 1]
Este ancho de banda también se conoce como la brecha de terahercios porque está notablemente subutilizado. [nota 2] Esto se debe a que las ondas de terahercios son ondas electromagnéticas con frecuencias más altas que las microondas pero más bajas que la radiación infrarroja y la luz visible . Estas características significan que es difícil influir en la radiación de terahercios con componentes y dispositivos electrónicos convencionales. La tecnología electrónica controla el flujo de electrones y está bien desarrollada para microondas y frecuencias de radio . Asimismo, la brecha de terahercios también limita con las longitudes de onda ópticas o fotónicas ; los rangos (o espectros ) infrarrojo , visible y ultravioleta , donde también existen tecnologías de lentes bien desarrolladas. Sin embargo, la longitud de onda de terahercios , o rango de frecuencia , parece ser útil para el control de seguridad, la obtención de imágenes médicas , los sistemas de comunicaciones inalámbricas , la evaluación no destructiva y la identificación química, así como la astronomía submilimétrica . Finalmente, como radiación no ionizante , no tiene los riesgos inherentes al control con rayos X. [1] [2] [3] [4]
En la actualidad, la falta fundamental de materiales naturales que permitan la respuesta electromagnética deseada ha llevado a la construcción de nuevos materiales compuestos artificiales, denominados metamateriales . Los metamateriales se basan en una estructura reticular que imita las estructuras cristalinas . Sin embargo, la estructura reticular de este nuevo material consta de elementos rudimentarios mucho más grandes que los átomos o las moléculas individuales, pero es una estructura artificial, en lugar de una estructura natural. Sin embargo, la interacción lograda está por debajo de las dimensiones de la onda de radiación de terahercios . Además, los resultados deseados se basan en la frecuencia resonante de los elementos fundamentales fabricados . [5] El atractivo y la utilidad se derivan de una respuesta resonante que se puede adaptar a aplicaciones específicas y se puede controlar eléctrica u ópticamente. O la respuesta puede ser como un material pasivo . [6] [7] [8] [9]
El desarrollo de materiales electromagnéticos con estructura reticular artificial , denominados metamateriales, ha permitido la realización de fenómenos que no se pueden obtener con materiales naturales . Esto se observa, por ejemplo, con una lente de vidrio natural , que interactúa con la luz (la onda electromagnética ) de una manera que parece ser unidireccional, mientras que la luz se entrega de manera bidireccional. En otras palabras, la luz consta de un campo eléctrico y un campo magnético . La interacción de una lente convencional , u otros materiales naturales, con la luz está fuertemente dominada por la interacción con el campo eléctrico (unidireccional). La interacción magnética en el material de la lente es esencialmente nula. Esto da como resultado limitaciones ópticas comunes , como una barrera de difracción . Además, existe una falta fundamental de materiales naturales que interactúen fuertemente con el campo magnético de la luz. Los metamateriales, una estructura compuesta sintética, superan esta limitación. Además, la elección de interacciones se puede inventar y reinventar durante la fabricación, dentro de las leyes de la física . De esta forma se amplían las capacidades de interacción con el espectro electromagnético , que es la luz. [8]
Las frecuencias de terahercios , o longitudes de onda submilimétricas, que existen entre las frecuencias de microondas y las longitudes de onda infrarrojas , prácticamente no se utilizan en el sector comercial, principalmente debido a las limitaciones para propagar la banda de terahercios a través de la atmósfera. Sin embargo, los dispositivos de terahercios han sido útiles en aplicaciones científicas, como la teledetección y la espectroscopia . [10]
El desarrollo de metamateriales ha recorrido el espectro electromagnético hasta los terahercios y las frecuencias infrarrojas , pero aún no incluye el espectro de la luz visible . Esto se debe, por ejemplo, a que es más fácil construir una estructura con elementos fundamentales más grandes que puedan controlar las microondas . Los elementos fundamentales para las frecuencias de terahercios e infrarrojas se han escalado progresivamente a tamaños más pequeños. En el futuro, la luz visible requerirá elementos que se escalen aún más para que puedan ser controlados por metamateriales. [11] [12] [13]
Junto con la capacidad de interactuar en frecuencias de terahercios existe el deseo de construir, implementar e integrar aplicaciones metamateriales de THz en la sociedad de manera universal. Esto se debe a que, como se explicó anteriormente, los componentes y sistemas con capacidades de terahercios llenarán un vacío tecnológicamente relevante. Como no se conocen materiales naturales que puedan lograr esto, ahora deben reemplazarse por materiales construidos artificialmente.
La investigación ha comenzado, en primer lugar, con la demostración del metamaterial de terahercios práctico. Además, dado que muchos materiales no responden a la radiación de THz de forma natural, es necesario construir dispositivos electromagnéticos que permitan la construcción de tecnologías aplicadas útiles que funcionen dentro de este rango. Se trata de dispositivos como fuentes de luz dirigida , lentes , interruptores , [nota 3] moduladores y sensores . Este vacío también incluye dispositivos de desplazamiento de fase y de dirección del haz [nota 4]. Las aplicaciones del mundo real en la banda de THz todavía están en pañales [8] [11] [13] [14]
Se han logrado avances moderados. Los dispositivos metamateriales de terahercios se han demostrado en el laboratorio como filtros de infrarrojo lejano sintonizables , moduladores de conmutación óptica y absorbedores metamateriales . La existencia reciente de una fuente de radiación de terahercios en general son los láseres de cascada cuántica de THz , los láseres de THz bombeados ópticamente, los osciladores de onda regresiva (BWO) y las fuentes de frecuencia multiplicada. Sin embargo, las tecnologías para controlar y manipular las ondas de THz están rezagadas con respecto a otros dominios de frecuencia del espectro de la luz. [11] [13] [14]
Además, la investigación en tecnologías que utilizan frecuencias THz muestra las capacidades para técnicas de detección avanzadas . En áreas donde otras longitudes de onda son limitadas, las frecuencias THz parecen llenar el vacío futuro cercano para avances en seguridad, salud pública , biomedicina , defensa , comunicación y control de calidad en la fabricación. Esta banda de terahercios tiene la distinción de ser no invasiva y, por lo tanto, no alterará ni perturbará la estructura del objeto que se irradia. Al mismo tiempo, esta banda de frecuencia demuestra capacidades como atravesar y obtener imágenes del contenido de un contenedor de plástico , penetrar unos pocos milímetros de tejido de piel humana sin efectos nocivos, atravesar la ropa para detectar objetos ocultos en el personal y la detección de agentes químicos y biológicos como nuevos enfoques para la lucha contra el terrorismo . [9] Los metamateriales de terahercios, debido a que interactúan en las frecuencias THz apropiadas, parecen ser una respuesta en el desarrollo de materiales que utilizan radiación THz. [9]
Los investigadores creen que las estructuras magnéticas artificiales (paramagnéticas), o las estructuras híbridas que combinan materiales magnéticos naturales y artificiales, pueden desempeñar un papel clave en los dispositivos de terahercios. Algunos dispositivos metamateriales de THz son cavidades compactas, ópticas y lentes adaptativas , espejos sintonizables, aisladores y convertidores . [8] [12] [15]
Sin fuentes de terahercios disponibles, otras aplicaciones se ven frenada. En cambio, los dispositivos semiconductores se han integrado en la vida cotidiana. Esto significa que las aplicaciones comerciales y científicas para generar las bandas de frecuencia de luz adecuadas para la aplicación o el dispositivo semiconductor están muy extendidas. Los láseres visibles e infrarrojos son el núcleo de la tecnología de la información . Además, en el otro extremo del espectro, los emisores de microondas y radiofrecuencia permiten las comunicaciones inalámbricas. [16]
Sin embargo, las aplicaciones para el régimen de terahercios, previamente definido como la brecha de terahercios de 0,1 a 10 THz, es un régimen empobrecido en comparación. Existen fuentes para generar las frecuencias de THz requeridas (o longitud de onda ), pero otros desafíos obstaculizan su utilidad. Los dispositivos láser de terahercios no son compactos y, por lo tanto, carecen de portabilidad y no se integran fácilmente en los sistemas . Además, faltan fuentes de terahercios de estado sólido de bajo consumo de energía . Además, los dispositivos actuales también tienen una o más deficiencias de baja potencia de salida , malas capacidades de sintonización y pueden requerir líquidos criogénicos para su funcionamiento ( helio líquido ). [16] Además, esta falta de fuentes apropiadas obstaculiza las oportunidades en espectroscopia , teledetección , comunicaciones en el espacio libre e imágenes médicas . [16]
Mientras tanto, se están investigando posibles aplicaciones de frecuencias de terahercios a nivel mundial. Dos tecnologías desarrolladas recientemente, la espectroscopia de dominio temporal de terahercios y los láseres de cascada cuántica, podrían posiblemente ser parte de una multitud de plataformas de desarrollo en todo el mundo. Sin embargo, los dispositivos y componentes necesarios para manipular eficazmente la radiación de terahercios requieren mucho más desarrollo que lo que se ha logrado hasta la fecha (2012). [6] [14] [15] [17]
Como se mencionó brevemente anteriormente, los materiales naturales, como las lentes convencionales y los prismas de vidrio, no pueden interactuar significativamente con el campo magnético de la luz . La interacción significativa ( permisividad ) ocurre con el campo eléctrico . En los materiales naturales , cualquier interacción magnética útil disminuirá en el rango de frecuencias de gigahercios . En comparación con la interacción con el campo eléctrico, el componente magnético es imperceptible cuando se está en terahercios , infrarrojos y luz visible . Por lo tanto, se produjo un paso notable con la invención de un metamaterial práctico en frecuencias de microondas, [nota 5] porque los elementos rudimentarios de los metamateriales han demostrado un acoplamiento y una respuesta inductiva al componente magnético proporcional al acoplamiento y la respuesta eléctricos. Esto demostró la ocurrencia de un magnetismo artificial, [nota 6] y luego se aplicó a las ondas electromagnéticas (o luz) de terahercios e infrarrojos. En el dominio de los terahercios y los infrarrojos, es una respuesta que no se ha descubierto en la naturaleza. [12] [18] [19]
Además, debido a que el metamaterial se fabrica artificialmente durante cada paso y fase de construcción, esto da la capacidad de elegir cómo la luz, o la onda electromagnética de terahercios , viajará a través del material y se transmitirá . Este grado de elección no es posible con los materiales convencionales . El control también se deriva del acoplamiento eléctrico-magnético y la respuesta de elementos rudimentarios que son más pequeños que la longitud de la onda electromagnética que viaja a través del metamaterial ensamblado. [18] [19]
La radiación electromagnética , que incluye la luz, transporta energía y momento que pueden transmitirse a la materia con la que interactúa. La radiación y la materia tienen una relación simbiótica. La radiación no actúa simplemente sobre un material, ni es simplemente afectada por un material determinado; la radiación interactúa con la materia.
La interacción magnética, o acoplamiento inducido, de cualquier material puede traducirse en permeabilidad . La permeabilidad de los materiales naturales es un valor positivo. Una capacidad única de los metamateriales es lograr valores de permeabilidad menores que cero (o valores negativos), que no son accesibles en la naturaleza. La permeabilidad negativa se logró por primera vez en frecuencias de microondas con los primeros metamateriales. Unos años más tarde, se demostró la permeabilidad negativa en el régimen de terahercios. [12] [20]
Los materiales que pueden acoplarse magnéticamente son particularmente raros en frecuencias de terahercios u ópticas.
Las investigaciones publicadas sobre algunos materiales magnéticos naturales indican que estos materiales responden a frecuencias superiores al rango de las microondas, pero la respuesta suele ser débil y limitada a una banda estrecha de frecuencias. Esto reduce la posibilidad de que los dispositivos de terahercios sean útiles. Se observó que la realización del magnetismo a frecuencias de terahercios y superiores afectará sustancialmente a la óptica de terahercios y sus aplicaciones. [12]
Esto tiene que ver con el acoplamiento magnético a nivel atómico . Este inconveniente se puede superar utilizando metamateriales que reflejen el acoplamiento magnético atómico , en una escala de magnitudes mayor que el átomo. [12] [21]
Los primeros metamateriales de terahercios capaces de lograr una respuesta magnética deseada, que incluía valores negativos de permeabilidad , fueron materiales pasivos . Debido a esto, la "sintonización" se logró fabricando un nuevo material, con dimensiones ligeramente modificadas para crear una nueva respuesta. Sin embargo, el avance notable, o logro práctico, es en realidad demostrar la manipulación de la radiación de terahercios con metamateriales .
Para la primera demostración, se fabricó más de una estructura metamaterial. Sin embargo, la demostración mostró un rango de 0,6 a 1,8 terahercios. Se cree que los resultados también muestran que el efecto se puede ajustar en todo el régimen de frecuencia de terahercios escalando las dimensiones de la estructura. A esto le siguieron demostraciones a 6 THz y 100 THz.
Con la primera demostración, la escala de los elementos y el espaciado permitieron el éxito con el rango de frecuencias de terahercios. Al igual que con los metamateriales en rangos de frecuencia más bajos, estos elementos eran materiales no magnéticos, pero eran elementos conductores. El diseño permite una resonancia que ocurre con los componentes eléctricos y magnéticos simultáneamente. Y es notable la fuerte respuesta magnética de estos materiales construidos artificialmente.
Para que los elementos respondan en resonancia a frecuencias específicas, se diseña específicamente el elemento. Luego, los elementos se colocan en un patrón repetitivo, como es común en el caso de los metamateriales. En este caso, los elementos ahora combinados y dispuestos, junto con la atención al espaciado, forman un metamaterial de estructura plana, rectangular. Dado que fue diseñado para operar a frecuencias de terahercios, se utiliza fotolitografía para grabar los elementos sobre un sustrato. [12]
El resonador de anillo dividido (SRR) es un metamaterial común en uso para una variedad de experimentos. [6] Las respuestas magnéticas ( permeabilidad ) a frecuencias de terahercios se pueden lograr con una estructura compuesta de elementos no magnéticos , como el SRR de alambre de cobre, que demuestra diferentes respuestas centradas alrededor de una frecuencia resonante. Los resonadores de anillo dividido muestran una capacidad para sintonizarse en todo el régimen de terahercios. Además, la estructura repetitiva formada por los materiales constituyentes sigue la misma estrategia de promediar el campo electromagnético a medida que manipula y transmite la radiación de terahercios. Esta técnica de promediado se llama respuesta efectiva del medio . [12]
La permeabilidad efectiva μ- eff se ve reforzada por la inductancia de los anillos y la capacitancia se produce en los huecos de los anillos divididos. En este experimento de terahercios se aplica la elipsometría , en lugar de las guías de onda. En otras palabras, una fuente de luz en el espacio libre emite un haz de radiación polarizada que luego se refleja en la muestra (ver imágenes a la derecha). Se pretende determinar la polarización emitida y se conoce el ángulo de polarización. Luego se mide el cambio de polarización que se refleja (en el material de la muestra). [ Aclaración necesaria ] Se considera la información sobre la diferencia de fase (si la hay) y la polarización reflejada. [12]
El campo magnético local del material de la celda puede entenderse como una respuesta magnética . Por debajo de la resonancia, el campo magnético local aumenta. Esta respuesta magnética se mantiene en fase con el campo eléctrico. Debido a que la celda SRR es en realidad un material no magnético, esta respuesta magnética local es temporal y conservará las características magnéticas solo mientras haya un campo magnético aplicado externamente. Por lo tanto, la magnetización total caerá a cero cuando se elimine el campo aplicado. Además, la respuesta magnética local es en realidad una fracción del campo magnético total. Esta fracción es proporcional a la intensidad del campo y esto explica la dependencia lineal. Asimismo, existe una respuesta lineal agregada sobre todo el material. Esto tiende a imitar las alineaciones y los espines a nivel atómico. [12]
A medida que aumenta la frecuencia y se acerca a la resonancia con el tiempo, las corrientes inducidas en el cable en bucle ya no pueden seguir el ritmo del campo aplicado y la respuesta local comienza a retrasarse. Luego, a medida que aumenta la frecuencia, la respuesta del campo local inducido se retrasa aún más hasta que está completamente desfasada con respecto al campo de excitación. Esto da como resultado una permeabilidad magnética que cae por debajo de la unidad e incluye valores menores que cero. El acoplamiento lineal entre el campo local inducido y el campo aplicado fluctuante contrasta con las características no lineales del ferromagnetismo [12].
Posteriormente, se demostró una respuesta magnética en estos materiales a 100 terahercios y en el régimen infrarrojo. Probar la respuesta magnética fue un paso importante para controlar posteriormente el índice de refracción . [15] [22] Finalmente, se logró un índice de refracción negativo para longitudes de onda de terahercios a 200 terahercios utilizando pares de capas de nanobarras metálicas en paralelo. [23] Este trabajo también se complementa con estudios de plasmones de superficie en el régimen de terahercios. [24]
El trabajo también continúa con estudios de aplicación de controles externos como conmutación electrónica y estructuras de semiconductores para controlar las propiedades de transmisión y reflexión. [25] [26] [27] [28]
Los metamateriales electromagnéticos parecen prometedores para llenar el vacío de los terahercios (0,1 – 10 THz). El vacío de los terahercios se debe a dos deficiencias generales. En primer lugar, casi no hay materiales naturales disponibles para aplicaciones que utilicen fuentes de frecuencia de terahercios . En segundo lugar, está la incapacidad de trasladar los éxitos de los metamateriales EM en el dominio de las microondas y la óptica al dominio de los terahercios. [26] [27]
Además, la mayoría de las investigaciones se han centrado en las propiedades pasivas de la transmisión artificial periódica de THz , tal como se determina mediante el patrón de los elementos metamateriales, por ejemplo, los efectos del tamaño y la forma de las inclusiones, el espesor de la película metálica, la geometría de los agujeros, la periodicidad, etc. Se ha demostrado que la resonancia también puede verse afectada depositando una capa dieléctrica en las matrices de agujeros metálicos y dopando un sustrato semiconductor, lo que da como resultado un desplazamiento significativo de la frecuencia de resonancia. Sin embargo, se ha realizado poco trabajo sobre la manipulación "activa" de la transmisión óptica extraordinaria, aunque es esencial para realizar muchas aplicaciones. [25]
Para responder a esta necesidad, existen propuestas de "metamateriales activos" que pueden controlar de forma proactiva la proporción de componentes de transmisión y reflexión de la radiación de la fuente (EM). Las estrategias incluyen iluminar la estructura con luz láser, variar un campo magnético estático externo donde la corriente no varía y usar una fuente de voltaje de polarización externa (controlada por semiconductores). Estos métodos conducen a las posibilidades de espectroscopia de alta sensibilidad, generación de terahercios de mayor potencia, comunicación segura de corto alcance en THz y una detección aún más sensible mediante capacidades de terahercios. Además, estos incluyen el desarrollo de técnicas para una detección de terahercios más sensible y un control y manipulación más efectivos de las ondas de terahercios. [26] [27]
La combinación de elementos metamateriales (específicamente, resonadores de anillo dividido) con tecnología de sistemas microelectromecánicos ha permitido la creación de compuestos flexibles no planos y estructuras micromecánicamente activas donde la orientación de los elementos resonantes electromagnéticamente se puede controlar con precisión con respecto al campo incidente. [29]
La teoría, simulación y demostración de una respuesta dinámica de parámetros metamateriales se mostraron por primera vez con una matriz planar de resonadores de anillo dividido (SRR). [30]
Los metamateriales de terahercios están haciendo posible el estudio de nuevos dispositivos. [31] [32]
En el rango de terahercios, no se dispone de amplificadores de potencia moderadamente compactos, lo que da lugar a una región infrautilizada, y la falta de nuevos amplificadores puede atribuirse directamente como una de las causas.
El trabajo de investigación ha implicado la investigación, creación y diseño de dispositivos electrónicos de vacío de ondas lentas y ligeros basados en amplificadores de tubo de ondas viajeras . Se trata de diseños que implican circuitos de ondas lentas con guías de ondas plegadas , en los que la onda de terahercios serpentea a través de una trayectoria serpenteante mientras interactúa con un haz de electrones lineal. Los diseños de tubos de ondas viajeras con guías de ondas plegadas se encuentran en frecuencias de 670, 850 y 1030 GHz. Para mejorar las limitaciones de potencia debidas a las pequeñas dimensiones y la alta atenuación, también se están investigando nuevos diseños de circuitos planos. [2]
En el Centro de Investigación Glenn de la NASA se ha investigado el uso de metamateriales ( materiales diseñados con propiedades electromagnéticas únicas ) para aumentar la potencia y la eficiencia de la amplificación de terahercios en dos tipos de circuitos de ondas lentas de electrónica de vacío. El primer tipo de circuito tiene una geometría de guía de ondas plegada en la que se encuentran dieléctricos anisotrópicos y metamateriales agujereados que consisten en conjuntos de agujeros de longitud de onda inferior (ver imagen a la derecha). [33]
El segundo tipo de circuito tiene una geometría plana con una línea de transmisión en forma de meandro para transportar la onda electromagnética y una estructura metamaterial incrustada en el sustrato. Los resultados computacionales son más prometedores con este circuito. Los resultados preliminares sugieren que la estructura metamaterial es eficaz para disminuir la magnitud del campo eléctrico en el sustrato y aumentar la magnitud en la región por encima de la línea de meandro, donde puede interactuar con un haz de electrones en láminas. Además, el circuito plano es menos difícil de fabricar y puede permitir una corriente más alta. Se necesita más trabajo para investigar otras geometrías planas, optimizar la interacción del campo eléctrico y el haz de electrones y diseñar geometrías de imán de enfoque para el haz de electrones en láminas. [33] [34]
La posibilidad de controlar las radiaciones en el régimen de terahercios está llevando al análisis de diseños para dispositivos de detección y moduladores de fase. Los dispositivos que pueden aplicar esta radiación serían particularmente útiles. Se analizan o prueban varias estrategias para sintonizar metamateriales que puedan funcionar como sensores. [35] [36] Asimismo, el cambio de fase lineal se puede lograr mediante el uso de dispositivos de control. [14] También es necesario tener sensores que puedan detectar ciertos peligros en el campo de batalla. [37]
Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .