Un metamaterial fotònic (PM), també conegut com a metamaterial òptic, és un tipus de metamaterial electromagnètic que interacciona amb la llum, abastant longituds d'ona de terahertz (THz), infrarojos (IR) o visibles. Els materials utilitzen una estructura cel·lular periòdica.
La periodicitat sublongitud d'ona distingeix els metamaterials fotònics de la banda prohibida fotònica o de les estructures cristal·lines fotòniques. Les cèl·lules es troben a una escala que és magnituds més grans que l'àtom, però molt més petites que la longitud d'ona radiada, són de l'ordre de nanòmetres.
En un material convencional, la resposta als camps elèctrics i magnètics, i per tant a la llum, està determinada pels àtoms. En els metamaterials, les cèl·lules assumeixen el paper d'àtoms en un material que és homogeni a escales més grans que les cèl·lules, donant lloc a un model de medi eficaç.
Alguns metamaterials fotònics presenten magnetisme a altes freqüències, cosa que resulta en un fort acoblament magnètic. Això pot produir un índex de refracció negatiu en el rang òptic.
Les possibles aplicacions inclouen l'òptica de camuflament i de transformació.
Els cristalls fotònics difereixen de les PM en què la mida i la periodicitat dels seus elements de dispersió són més grans, de l'ordre de la longitud d'ona. A més, un cristall fotònic no és homogeni, per la qual cosa no és possible definir valors de ε (permitivitat) o u (permeabilitat).
Història Mentre investigava si la matèria interactua o no amb el component magnètic de la llum, Victor Veselago (1967) va preveure la possibilitat de refracció amb un signe negatiu, segons les equacions de Maxwell. Un índex de refracció amb un signe negatiu és el resultat de la permitivitat, ε < 0 (menor que zero) i la permeabilitat magnètica, μ < 0 (menor que zero). L'anàlisi de Veselago ha estat citada en més de 1500 articles revisats per experts i molts llibres.
Mentre investigava si la matèria interacciona o no amb el component magnètic de la llum, Victor Veselago (1967) va preveure la possibilitat de refracció amb un signe negatiu, segons les equacions de Maxwell. Un índex de refracció amb un signe negatiu és el resultat de la permitivitat, ε < 0 (menor que zero) i la permeabilitat magnètica, μ < 0 (menor que zero). L'anàlisi de Veselago ha estat citada en més de 1500 articles revisats per experts i molts llibres.
A mitjans de la dècada del 1990, els metamaterials es van veure per primera vegada com a tecnologies potencials per a aplicacions com ara imatges a escala nanomètrica i l'encobriment d'objectes. Per exemple, el 1995, Guerra va fabricar una reixeta transparent amb 50 línies i espais de nm, i després va acoblar aquest (el que més tard s'anomenaria) metamaterial fotònic amb un objectiu d'immersió per resoldre una reixeta de silici que tenia 50 línies i espais de nm, molt més enllà del límit de difracció per als 650 il·luminació de longitud d'ona de nm a l'aire. I el 2002, Guerra et al. van publicar el seu ús demostrat de nanoòptica de longitud d'ona inferior (metamaterials fotònics) per a l'emmagatzematge de dades òptiques a densitats molt per sobre del límit de difracció. A partir del 2015, les antenes de metamaterials ja estaven disponibles comercialment. miniatura|Una comparació de la refracció en un metamaterial esquerrà amb la d'un material normal La permeabilitat negativa es va aconseguir amb un ressonador d'anell dividit (SRR) com a part de la cel·la de sublongitud d'ona. L'SRR va aconseguir una permeabilitat negativa dins d'un rang de freqüències estret. Això es va combinar amb un pal conductor elèctric posicionat simètricament, que va crear el primer metamaterial d'índex negatiu, que funciona a la banda de microones. Els experiments i les simulacions van demostrar la presència d'una banda de propagació esquerròvia, un material esquerròvia. La primera confirmació experimental de l'índex de refracció negatiu es va produir poc després, també a freqüències de microones.
Permeabilitat negativa i permitivitat negativa Els materials naturals, com ara els metalls preciosos, poden assolir ε < 0 fins a les freqüències visibles. Tanmateix, a les freqüències de terahertz, infraroja i visible, els materials naturals tenen un component d'acoblament magnètic o permeabilitat molt feble. En altres paraules, la susceptibilitat al component magnètic de la llum radiada es pot considerar insignificant.
Els metamaterials d'índex negatiu es comporten de manera contrària a la interacció convencional "dresana" de la llum que es troba en els materials òptics convencionals. Per tant, s'anomenen materials esquerrà o materials d'índex negatiu (NIM), entre altres nomenclatures.
Només els NIM fabricats presenten aquesta capacitat. Els cristalls fotònics, com molts altres sistemes coneguts, poden presentar un comportament de propagació inusual, com ara la inversió de les velocitats de fase i de grup. Tanmateix, la refracció negativa no es produeix en aquests sistemes.
Els materials ferromagnètics i antiferromagnètics naturals poden assolir ressonància magnètica, però amb pèrdues significatives. En materials naturals com els imants naturals i les ferrites, la ressonància per a la resposta elèctrica (d'acoblament) i la resposta magnètica (d'acoblament) no es produeixen a la mateixa freqüència.
Freqüència òptica Els SRR de metamaterials fotònics han arribat a escales inferiors a 100 nanòmetres, utilitzant feix d'electrons i nanolitografia. Una cel·la SRR a nanoescala té tres petites barres metàl·liques que estan connectades físicament. Això està configurat en forma d'U i funciona com un nanoinductor. L'espai entre les puntes de la forma d'U funciona com un nanocondensador. Per tant, és un ressonador nano-LC òptic. Aquestes "inclusions" creen camps elèctrics i magnètics locals quan s'exciten externament. Aquestes inclusions solen ser deu vegades més petites que la longitud d'ona del buit de la llum c0 a la freqüència ressonant. Les inclusions es poden avaluar mitjançant una aproximació de medi efectiu.
Els PM mostren una resposta magnètica amb magnitud útil a freqüències òptiques. Això inclou permeabilitat negativa, tot i l'absència de materials magnètics. Anàlogament al material òptic ordinari, els PM es poden tractar com un medi eficaç que es caracteritza pels paràmetres de medi eficaç ε(ω) i μ(ω), o de manera similar, εeff i μeff.
L'índex de refracció negatiu de les PM en el rang de freqüències òptiques va ser demostrat experimentalment el 2005 per Shalaev et al. (a la longitud d'ona de telecomunicacions λ = 1,5 μm) i per Brueck et al. (a λ = 2 μm) gairebé al mateix temps.
Model mitjà eficaç Una aproximació de medi efectiu (de transmissió) descriu lloses de material que, quan reaccionen a una excitació externa, són "efectivament" homogènies, amb paràmetres "efectius" corresponents que inclouen ε i μ "efectius" i s'apliquen a la llosa en conjunt. Les inclusions o cel·les individuals poden tenir valors diferents dels de la llosa. Tanmateix, hi ha casos en què l'aproximació del medi efectiu no es compleix i cal ser conscient de la seva aplicabilitat.
Magnetisme d'acoblament La permeabilitat magnètica negativa es va aconseguir originalment en un medi esquerrà a freqüències de microones mitjançant matrius de ressonadors d'anells dividits. En la majoria de materials naturals, la resposta acoblada magnèticament comença a disminuir a freqüències en el rang de gigahertzs, cosa que implica que no es produeix un magnetisme significatiu a freqüències òptiques. La permeabilitat efectiva d'aquests materials és la unitat, μ eff = 1. Per tant, el component magnètic d'un camp electromagnètic radiat pràcticament no té cap efecte sobre els materials naturals a freqüències òptiques.
En els metamaterials, la cèl·lula actua com un metaàtom, un dipol magnètic de major escala, anàleg a l'àtom de la mida d'un picòmetre. Per als metaàtoms construïts a partir d' or, es pot aconseguir μ < 0 a les freqüències de telecomunicació però no a les freqüències visibles. La freqüència visible ha estat difícil d'aconseguir perquè la freqüència de plasma dels metalls és la condició limitant última.
Disseny i fabricació Les longituds d'ona òptiques són molt més curtes que les de les microones, cosa que fa que els metamaterials òptics de longitud inferior a la d'ona siguin més difícils de realitzar. Els metamaterials de microones es poden fabricar a partir de materials de plaques de circuits, mentre que s'han d'emprar tècniques de litografia per produir metamaterials metàl·lics.
Els experiments reeixits van utilitzar una disposició periòdica de cables curts o peces metàl·liques amb formes variades. En un altre estudi, tota la llosa es va connectar elèctricament.
Les tècniques de fabricació inclouen la litografia per feix d'electrons, la nanoestructuració amb un feix d'ions enfocat i la litografia per interferència.
El 2014 es va demostrar que un prototip de metamaterial insensible a la polarització absorbia energia en una banda ampla (una superoctava) de longituds d'ona infraroges. El material va mostrar una absortivitat mitjana mesurada superior al 98% que mantenia en un camp de visió ampli de ±45° per a longituds d'ona d'infraroig mitjà entre 1,77 i 4,81 μm. Un ús és ocultar objectes dels sensors infrarojos. El pal·ladi proporcionava un ample de banda més gran que la plata o l'or. Un algoritme genètic va modificar aleatòriament un patró candidat inicial, provant i eliminant tots excepte el millor. El procés es va repetir durant múltiples generacions fins que el disseny es va fer efectiu.
El metamaterial està fet de quatre capes sobre un substrat de silici. La primera capa és de pal·ladi, coberta de poliimida (plàstic) i una pantalla de pal·ladi a la part superior. La pantalla té retalls de sublongitud d'ona que bloquegen les diverses longituds d'ona. Una capa de poliimida cobreix tot l'absorbidor. Pot absorbir el 90 per cent de la radiació infraroja a un angle de fins a 55 graus respecte a la pantalla. Les capes no necessiten una alineació precisa. La tapa de poliimida protegeix la pantalla i ajuda a reduir qualsevol desajust d'impedància que es pugui produir quan l'ona creua de l'aire al dispositiu.
Referències
Categoria:Òptica Categoria:Materials