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Metamaterial

Configuración de matriz de metamateriales de índice negativo , construida con resonadores de anillo partido de cobre y cables montados sobre láminas entrelazadas de una placa de...

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Configuración de matriz de metamateriales de índice negativo , construida con resonadores de anillo partido de cobre y cables montados sobre láminas entrelazadas de una placa de circuito de fibra de vidrio. La matriz total consta de 3 × 20 × 20 celdas unitarias con dimensiones generales de 10 mm × 100 mm × 100 mm (0,39 pulg. × 3,94 pulg. × 3,94 pulg.) . [ 1 ] [ 2 ]          

Un metamaterial (del griego μετά meta , que significa 'más allá' o 'después', y del latín materia , que significa ' materia ' o ' material ') es un material diseñado cuyas propiedades no provienen de la composición química de sus sustancias base, sino de su estructura interna diseñada deliberadamente. Estas propiedades suelen ser raras o estar ausentes en los materiales que se encuentran en la naturaleza. Los metamateriales se fabrican típicamente a partir de múltiples materiales, como metales y plásticos, y se disponen en patrones repetitivos a escalas menores que las longitudes de onda de los fenómenos que influyen. Su forma , geometría , tamaño , orientación y disposición les confieren sus propiedades de manipulación de ondas electromagnéticas , acústicas o sísmicas : bloqueando, absorbiendo, amplificando o desviando las ondas, para lograr beneficios que van más allá de lo posible con los materiales convencionales. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Aquellos que exhiben un índice de refracción negativo para longitudes de onda particulares han sido el foco de una cantidad sustancial de investigación. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Las aplicaciones potenciales de los metamateriales son diversas e incluyen equipos deportivos , [ 11 ] [ 12 ] filtros ópticos , dispositivos médicos , aplicaciones aeroespaciales remotas, detección de sensores y monitoreo de infraestructura , gestión inteligente de energía solar , láseres, [ 13 ] control de multitudes , radomos , comunicación de alta frecuencia en el campo de batalla y lentes para antenas de alta ganancia, mejora de sensores ultrasónicos e incluso protección de estructuras contra terremotos . [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Los metamateriales ofrecen el potencial de crear superlentes . [ 18 ] [ 19 ] Se demostró una forma de "invisibilidad" utilizando materiales de índice de gradiente . Los metamateriales acústicos y sísmicos también son áreas de investigación. [ 14 ] [ 20 ]

La investigación sobre metamateriales es interdisciplinaria e involucra campos como la ingeniería eléctrica , el electromagnetismo, la óptica clásica , la física del estado sólido , la ingeniería de microondas y antenas , la optoelectrónica , la ciencia de los materiales , la nanociencia y la ingeniería de semiconductores . [ 4 ] Los desarrollos recientes también muestran potencial para los metamateriales en la computación óptica , ya que los sistemas basados ​​en metamateriales teóricamente pueden realizar ciertas tareas de manera más eficiente que la computación convencional. [ 21 ]

Historia

Las exploraciones de materiales artificiales para la manipulación de ondas electromagnéticas comenzaron a finales del siglo XIX. Algunas de las primeras estructuras que pueden considerarse metamateriales fueron estudiadas por Jagadish Chandra Bose , quien en 1898 investigó sustancias con propiedades quirales . A principios del siglo XX, Karl Ferdinand Lindman estudió la interacción de ondas con hélices metálicas como medios quirales artificiales .

A finales de la década de 1940, Winston E. Kock, de los Laboratorios Bell de AT&T, desarrolló materiales con características similares a las de los metamateriales. En las décadas de 1950 y 1960, se estudiaron dieléctricos artificiales para antenas de microondas ligeras . En las décadas de 1980 y 1990, se investigaron absorbentes de radar de microondas como aplicaciones para medios quirales artificiales. [ 4 ] [ 22 ] [ 23 ]

Los materiales de índice negativo fueron descritos teóricamente por primera vez por Victor Veselago en 1967. [ 24 ] Demostró que dichos materiales podían transmitir luz . Mostró que la velocidad de fase podía hacerse antiparalela a la dirección del vector de Poynting . Esto es contrario a la propagación de ondas en materiales que se encuentran en la naturaleza. [ 8 ]

En 1995, John M. Guerra fabricó una rejilla transparente sublongitudinal (más tarde denominada metamaterial fotónico ) con líneas y espacios de 50  nm, y la acopló a un objetivo de microscopio estándar de inmersión en aceite (la combinación posteriormente denominada superlente) para resolver una rejilla en una oblea de silicio que también tenía  líneas y espacios de 50 nm. Esta imagen de superresolución se logró con una iluminación de longitud de onda de 650  nm en el aire. [ 18 ]

En 2000, John Pendry fue el primero en identificar una forma práctica de hacer un metamaterial zurdo, un material en el que no se sigue la regla de la mano derecha . [ 24 ] Dicho material permite que una onda electromagnética transmita energía (tenga una velocidad de grupo ) en contra de su velocidad de fase . Pendry hipotetizó que los cables metálicos alineados a lo largo de la dirección de una onda podrían proporcionar permitividad negativa ( función dieléctrica ε < 0). Los materiales naturales (como los ferroeléctricos ) muestran permitividad negativa; el desafío era lograr permeabilidad negativa (μ < 0). En 1999, Pendry demostró que un anillo partido (en forma de C) con su eje colocado a lo largo de la dirección de propagación de la onda podía hacerlo. En el mismo artículo, mostró que una matriz periódica de cables y anillos podía dar lugar a un índice de refracción negativo. Pendry también propuso un diseño de permeabilidad negativa relacionado, el rollo suizo .

En 2000, David R. Smith et al. informaron la demostración experimental de metamateriales electromagnéticos funcionales mediante el apilamiento horizontal periódico de resonadores de anillo partido y estructuras de alambre delgado. En 2002 se proporcionó un método para realizar metamateriales de índice negativo utilizando líneas de transmisión cargadas con elementos concentrados artificiales en tecnología de microcinta . En 2003, se demostró el índice de refracción negativo complejo (tanto la parte real como la imaginaria) [ 25 ] y la formación de imágenes mediante lentes planas [ 26 ] utilizando metamateriales zurdos. El índice de refracción negativo en el rango óptico fue demostrado por primera vez por Vladimir Shalaev et al. [ 9 ]. Para 2007, muchos grupos habían realizado experimentos que involucraban el índice de refracción negativo . [ 3 ] [ 17 ] En frecuencias de microondas, la primera capa de invisibilidad imperfecta se realizó en 2006. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Desde el punto de vista de las ecuaciones que los rigen, los investigadores contemporáneos pueden clasificar el ámbito de los metamateriales en tres ramas principales: [ 32 ] Metamateriales de ondas electromagnéticas/ópticas, otros metamateriales de ondas y metamateriales de difusión . Estas ramas se caracterizan por sus respectivas ecuaciones que los rigen, que incluyen las ecuaciones de Maxwell (una ecuación de ondas que describe ondas transversales), otras ecuaciones de ondas (para ondas longitudinales y transversales) y ecuaciones de difusión (relacionadas con los procesos de difusión). [ 33 ] Diseñados para gobernar una variedad de actividades de difusión, los metamateriales de difusión priorizan la longitud de difusión como su métrica central. Este parámetro crucial experimenta fluctuaciones temporales, pero permanece inmune a las variaciones de frecuencia. En contraste, los metamateriales de ondas, diseñados para ajustar varias trayectorias de propagación de ondas, consideran la longitud de onda de las ondas incidentes como su métrica esencial. Esta longitud de onda permanece constante en el tiempo, aunque se ajusta con las alteraciones de frecuencia. Fundamentalmente, las métricas clave para los metamateriales de difusión y de ondas presentan una marcada divergencia, lo que subraya una relación complementaria distinta entre ellos. Para obtener información completa, consulte la Sección IB, "Evolución de la física de los metamateriales", en la Ref. [ 32 ].

Tipos

metamateriales electromagnéticos

Los metamateriales electromagnéticos son metamateriales que afectan a las ondas electromagnéticas que inciden o interactúan con sus características estructurales, las cuales son menores que la longitud de onda de la radiación . Para comportarse como un material homogéneo descrito con precisión por un índice de refracción efectivo , sus características deben ser mucho menores que la longitud de onda.

Las propiedades inusuales de los metamateriales surgen de la respuesta resonante de cada elemento constituyente, más que de su disposición espacial en una red. Esto permite considerar los parámetros efectivos locales del material ( permitividad y permeabilidad ). El efecto de resonancia relacionado con la disposición mutua de los elementos es responsable de la dispersión de Bragg , que subyace a la física de los cristales fotónicos , otra clase de materiales electromagnéticos. A diferencia de las resonancias locales, la dispersión de Bragg y la correspondiente banda prohibida de Bragg tienen un límite de baja frecuencia determinado por el espaciado de la red. La aproximación sublongitudinal garantiza que las bandas prohibidas de Bragg con fuertes efectos de dispersión espacial se encuentren en frecuencias más altas y puedan despreciarse. El criterio para desplazar la resonancia local por debajo de la banda prohibida de Bragg inferior permite construir un diagrama de transición de fase fotónica en un espacio de parámetros, por ejemplo, el tamaño y la permitividad del elemento constituyente. Dicho diagrama muestra el dominio de parámetros estructurales que permiten la observación de las propiedades del metamaterial en el material electromagnético. [ 34 ]

Para la radiación de microondas , las características son del orden de milímetros . Los metamateriales de frecuencia de microondas se construyen generalmente como matrices de elementos conductores de electricidad (como bucles de alambre) que poseen características inductivas y capacitivas adecuadas . Muchos metamateriales de microondas utilizan resonadores de anillo partido . [ 35 ] [ 36 ]

Los metamateriales fotónicos se estructuran a escala nanométrica y manipulan la luz en frecuencias ópticas. Los cristales fotónicos y las superficies selectivas en frecuencia, como las redes de difracción , los espejos dieléctricos y los recubrimientos ópticos, presentan similitudes con los metamateriales estructurados a escala sublongitudinal . Sin embargo, suelen considerarse distintos de los metamateriales, ya que su función se basa en la difracción o la interferencia y, por lo tanto, no pueden aproximarse como un material homogéneo. No obstante, las estructuras de materiales como los cristales fotónicos son eficaces en el espectro de luz visible . La parte central del espectro visible tiene una longitud de onda de aproximadamente 560  nm (para la luz solar). Las estructuras de cristal fotónico suelen tener la mitad de este tamaño o incluso menos, es decir, <  280  nm.

Los metamateriales plasmónicos utilizan plasmones de superficie , que son paquetes de carga eléctrica que oscilan colectivamente en las superficies de los metales a frecuencias ópticas.

Las superficies selectivas en frecuencia (FSS) pueden exhibir características sublongitudinales y se conocen con diversos nombres, como conductores magnéticos artificiales (AMC) o superficies de alta impedancia (HIS). Las FSS muestran características inductivas y capacitivas directamente relacionadas con su estructura sublongitudinal. [ 37 ]

Los metamateriales electromagnéticos se pueden dividir en diferentes clases, como sigue: [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

metamateriales mecánicos

Los metamateriales mecánicos se derivan de sus estructuras internas únicas, más que de los materiales que los componen. La inspiración para su diseño suele provenir de materiales biológicos (como panales y células), de estructuras de celdas unitarias moleculares y cristalinas, así como de las disciplinas artísticas del origami y el kirigami. Si bien los primeros metamateriales mecánicos presentaban repeticiones regulares de estructuras de celdas unitarias simples, actualmente se exploran unidades y arquitecturas cada vez más complejas. Los metamateriales mecánicos pueden considerarse la contraparte de los metamateriales ópticos y electromagnéticos . Este término engloba estructuras diseñadas a escalas nano, micro, meso y macroscópicas que producen propiedades inalcanzables en materiales convencionales. Las propiedades mecánicas, como la elasticidad, la viscoelasticidad , la termoelasticidad y la conductividad térmica, son objetivos clave en el diseño de metamateriales mecánicos.

Se pueden distinguir tres tipos principales de metamateriales mecánicos. El primero implica respuestas estáticas o cuasiestáticas , como auxeticidad, rigidez ajustable, multiestabilidad o deformación programable. El segundo implica fenómenos de ondas dinámicas en sólidos, a menudo denominados metamateriales elásticos o elastodinámicos , donde arquitecturas resonantes o periódicas controlan la propagación de ondas longitudinales y transversales mediante propiedades efectivas como la densidad de masa negativa o el módulo. Los metamateriales acústicos se incluyen en esta rama dinámica y están diseñados para controlar las ondas de presión longitudinales en fluidos, así como en sólidos donde los efectos de corte son despreciables, mediante una densidad efectiva y un módulo de compresibilidad adaptados. La tercera rama abarca los metamateriales térmicos , que manipulan la conducción y difusión del calor. Estos se consideran metamateriales mecánicos porque sus respuestas térmicas inusuales surgen de una arquitectura diseñada en lugar de una composición, lo que permite la conducción anisotrópica, el camuflaje térmico y la gestión direccional del calor mediante estructuras como fibras alineadas o matrices de nanotubos de carbono . La investigación principal sobre metamateriales mecánicos se ha centrado en propiedades estáticas y cuasiestáticas que pueden diseñarse para tomar valores que no se encuentran en la naturaleza, como rigidez negativa, coeficiente de Poisson negativo, compresibilidad negativa y módulo de corte nulo. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]

Acústico

Los metamateriales acústicos , también conocidos como cristales sónicos o fonónicos, son materiales diseñados para manipular ondas sonoras o fonones en gases, líquidos y sólidos. Al ajustar parámetros clave como el módulo de compresibilidad (β), la densidad (ρ) y, en algunos casos, la quiralidad, se pueden diseñar para transmitir, atrapar o atenuar ondas a frecuencias específicas, funcionando como resonadores acústicos cuando predominan las resonancias locales. Dentro del campo más amplio de los metamateriales mecánicos , los metamateriales acústicos representan la rama dinámica donde el control de ondas es el objetivo principal.

Los metamateriales acústicos controlan, dirigen y manipulan el sonido en forma de ondas sónicas , infrasónicas o ultrasónicas en gases , líquidos y sólidos . Al igual que las ondas electromagnéticas, las ondas sónicas pueden presentar refracción negativa. [ 20 ]

El control de las ondas sonoras se logra principalmente mediante el módulo de compresibilidad β , la densidad de masa ρ y la quiralidad. El módulo de compresibilidad y la densidad son análogos de la permitividad y la permeabilidad en los metamateriales electromagnéticos. Relacionado con esto está la mecánica de la propagación de ondas sonoras en una estructura reticular . Además, los materiales poseen masa y grados intrínsecos de rigidez . En conjunto, estos forman un sistema resonante , y la resonancia mecánica (sónica) puede excitarse mediante frecuencias sónicas apropiadas (por ejemplo, pulsos audibles ).

Los materiales de Willis exhiben parámetros de material no locales adicionales para la manipulación de ondas elásticas —análogos a los módulos bianisotrópicos en medios electromagnéticos [ 55 ] [ 56 ] —que acoplan la tensión con la velocidad de partícula y el momento lineal con la deformación, conocidos como acoplamientos de Willis. Reciben su nombre de JR Willis, quien los predijo utilizando un método de homogeneización dinámica. [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] Gran parte del interés reciente en los acoplamientos de Willis ha sido impulsado por su forma local (las ecuaciones de Milton-Briane-Willis [ 56 ] ). Al extender el método de homogeneización de Willis, Pernas-Salomón y Shmuel fueron los primeros en demostrar que los compuestos piezoeléctricos exhiben un acoplamiento efectivo entre el momento lineal y el campo eléctrico, que denominaron acoplamiento electromomento . [ 60 ] El acoplamiento electromomento proporciona un mecanismo para la manipulación de ondas similar al acoplamiento de Willis, con el beneficio adicional de la sintonización eléctrica. [ 61 ]

Otros tipos

Estructural

Los metamateriales estructurales son un tipo de metamaterial mecánico que proporciona propiedades como la resistencia a la compresión y características de ligereza. Mediante microestereolitografía por proyección , se pueden crear microestructuras reticulares con formas muy similares a las de las cerchas y vigas . Se han creado materiales cuatro órdenes de magnitud más rígidos que el aerogel convencional , pero con la misma densidad. Dichos materiales pueden soportar una carga de al menos 160 000 veces su propio peso mediante una restricción excesiva. [ 62 ] [ 63 ]

Un metamaterial nanotruss cerámico puede aplanarse y volver a su estado original. [ 64 ]

Mientras que los metamateriales derivan sus extraordinarias propiedades de arquitecturas a micro o nanoescala diseñadas para manipular el comportamiento de las ondas, las metaestructuras operan a macroescala, aprovechando el diseño geométrico y el ensamblaje modular para lograr un rendimiento mecánico multifuncional en sistemas más grandes. Las células de metaestructura modulares y compuestas totalmente de base biológica, basadas en una geometría reticulada que abarca varillas de bambú y uniones de polímeros de origen vegetal, demuestran un rendimiento mecánico escalable, soportando hasta 700  kg en compresión con una masa de tan solo 30  g. [ 65 ]

Térmico

Por lo general, los materiales que se encuentran en la naturaleza, cuando son homogéneos, son térmicamente isótropos, lo que significa que el calor se difunde aproximadamente a la misma velocidad en todas las direcciones. Los metamateriales térmicos, como subclase de metamateriales mecánicos , logran respuestas térmicas anisotrópicas y personalizadas a través de estructuras internas diseñadas. El término surgió alrededor de 2008, cuando Fan, Gao y Huang [ 66 ] demostraron materiales con forma graduada que presentaban una conductividad térmica negativa aparente e introdujeron el concepto de capa térmica mediante termótica de transformación. Al diseñar cuidadosamente su geometría a escalas nano, micro, meso o macro, estos materiales exhiben conductividades térmicas efectivas que no se encuentran en los materiales naturales. Su clasificación como metamateriales mecánicos se debe a que su comportamiento térmico inusual surge de una estructura diseñada en lugar de una composición química. Algunos ejemplos incluyen compuestos con fibras altamente alineadas, matrices de partículas o nanotubos de carbono, donde la organización direccional permite un flujo de calor controlado.

No lineal

Se pueden fabricar metamateriales que incluyan algún tipo de medio no lineal , cuyas propiedades cambian con la potencia de la onda incidente. Los medios no lineales son esenciales para la óptica no lineal . La mayoría de los materiales ópticos tienen una respuesta relativamente débil, lo que significa que sus propiedades cambian solo en una pequeña cantidad para grandes cambios en la intensidad del campo electromagnético . Los campos electromagnéticos locales de las inclusiones en los metamateriales no lineales pueden ser mucho mayores que el valor promedio del campo. Además, se han predicho y observado efectos no lineales notables si la permitividad dieléctrica efectiva del metamaterial es muy pequeña (medios con permitividad cercana a cero). [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] Además, propiedades exóticas como un índice de refracción negativo crean oportunidades para adaptar las condiciones de coincidencia de fase que deben satisfacerse en cualquier estructura óptica no lineal y pueden modificar fuertemente los efectos no lineales conocidos y permitir otros nuevos. [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]

Líquido

Los metafluidos ofrecen propiedades programables como viscosidad, compresibilidad y propiedades ópticas. Un enfoque empleó esferas de elastómero rellenas de aire de 50 a 500 micras de diámetro, suspendidas en aceite de silicona . Las esferas se comprimen bajo presión y recuperan su forma cuando se libera la presión. Sus propiedades difieren entre estos dos estados. Sin presión, dispersan la luz, volviéndose opacas. Bajo presión, colapsan en formas de media luna, enfocando la luz y volviéndose transparentes. La respuesta a la presión podría permitirles actuar como un sensor o como un fluido hidráulico dinámico. Al igual que la maicena , puede comportarse como un fluido newtoniano o no newtoniano. Bajo presión, se vuelve no newtoniano, lo que significa que su viscosidad cambia en respuesta a la fuerza de corte. [ 77 ]

metamateriales de Hall

En 2009, Marc Briane y Graeme Milton [ 78 ] demostraron matemáticamente que, en principio, se puede invertir el signo de un compuesto tridimensional de tres materiales con coeficiente de Hall positivo o negativo. Posteriormente, en 2015, Muamer Kadic et al. [ 79 ] demostraron que una simple perforación de un material isotrópico puede provocar un cambio en el signo de su coeficiente de Hall. Esta afirmación teórica fue finalmente demostrada experimentalmente por Christian Kern et al. [ 80 ].

En 2015, Christian Kern et al. también demostraron que una perforación anisotrópica de un solo material puede dar lugar a un efecto aún más inusual, a saber, el efecto Hall paralelo. [ 81 ] Esto significa que el campo eléctrico inducido dentro de un medio conductor ya no es ortogonal a la corriente y al campo magnético, sino que es paralelo a este último.

bandas de frecuencia

Terahercios

Los metamateriales de terahercios interactúan en frecuencias de terahercios , generalmente definidas entre 0,1 y 10 THz . La radiación de terahercios se sitúa en el extremo lejano de la banda infrarroja, justo después del final de la banda de microondas. Esto corresponde a longitudes de onda milimétricas y submilimétricas entre los 3  mm ( banda EHF ) y los 0,03  mm (límite de longitud de onda larga de la luz infrarroja lejana ).

Fotónica

Los metamateriales fotónicos interactúan con frecuencias ópticas ( infrarrojo medio ). El período sublongitudinal los distingue de las estructuras de banda prohibida fotónica . [ 82 ] [ 83 ]

Ajustable

Los metamateriales sintonizables permiten realizar ajustes arbitrarios a los cambios de frecuencia en el índice de refracción. Un metamaterial sintonizable supera las limitaciones de ancho de banda de los materiales zurdos mediante la construcción de diversos tipos de metamateriales.

Plasmónico

Los metamateriales plasmónicos aprovechan los plasmones de superficie , que se producen por la interacción de la luz con dieléctricos metálicos. En condiciones específicas, la luz incidente se acopla con los plasmones de superficie para crear ondas electromagnéticas autosostenidas y propagantes, o ondas superficiales [ 84 ] conocidas como polaritones de plasmón de superficie . Las oscilaciones del plasma volumétrico posibilitan el efecto de masa (densidad) negativa. [ 85 ] [ 86 ]

Aplicaciones

Los metamateriales se están considerando para muchas aplicaciones. [ 87 ] Las antenas de metamateriales están disponibles comercialmente.

En 2007, un investigador afirmó que para que se pudieran realizar aplicaciones de metamateriales, era necesario reducir la pérdida de energía, extender los materiales a materiales isotrópicos tridimensionales e industrializar las técnicas de producción. [ 88 ]

El grupo de Shalaev, en colaboración con el equipo de Raytheon , ha demostrado una lente de enfoque de metasuperficie sublongitudinal totalmente dieléctrica que opera en el infrarrojo cercano . [ 89 ] Esta lente se utiliza actualmente en productos de sistemas de defensa de Raytheon.

Antenas

Las antenas de metamateriales son una clase de antenas que utilizan metamateriales para mejorar su rendimiento. [ 17 ] [ 24 ] [ 90 ] [ 91 ] Las demostraciones mostraron que los metamateriales podían aumentar la potencia radiada de una antena . [ 17 ] [ 92 ] Los materiales que pueden alcanzar permeabilidad negativa permiten propiedades como un tamaño de antena pequeño, alta directividad y frecuencia sintonizable. [ 17 ] [ 24 ]

Amortiguador

Un absorbedor de metamateriales manipula los componentes de pérdida de la permitividad y la permeabilidad magnética de los metamateriales para absorber grandes cantidades de radiación electromagnética . [ 93 ] Esta es una característica útil para la fotodetección [ 94 ] [ 95 ] y aplicaciones fotovoltaicas solares . [ 96 ] Los componentes de pérdida también son relevantes en aplicaciones de índice de refracción negativo (metamateriales fotónicos, sistemas de antenas) u óptica de transformación ( camuflaje de metamateriales , mecánica celeste), pero a menudo no se utilizan en estas aplicaciones.

Superlente

Una superlente es un dispositivo bidimensional o tridimensional que utiliza metamateriales, generalmente con propiedades de refracción negativa, para lograr una resolución superior al límite de difracción (idealmente, resolución infinita). Este comportamiento es posible gracias a la capacidad de los materiales doblemente negativos para generar una velocidad de fase negativa. El límite de difracción es inherente a los dispositivos ópticos o lentes convencionales. [ 97 ] [ 98 ]

Dispositivos de camuflaje

Los metamateriales son una base potencial para un dispositivo de invisibilidad práctico . La prueba de concepto se demostró el 19 de octubre de 2006. No se tiene conocimiento público de la existencia de dispositivos de invisibilidad prácticos. [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]

Metamateriales que reducen la sección transversal de radar (RCS)

Los metamateriales tienen aplicaciones en la tecnología furtiva , que reduce la RCS de diversas maneras (por ejemplo, absorción, difusión, redirección). Convencionalmente, la RCS se ha reducido mediante material absorbente de radar (RAM) o mediante la modificación de la forma de los objetivos para que la energía dispersada pueda redirigirse lejos de la fuente. Si bien los RAM tienen una funcionalidad de banda de frecuencia estrecha, la modificación de la forma limita el rendimiento aerodinámico del objetivo. Más recientemente, se han sintetizado metamateriales o metasuperficies que pueden redirigir la energía dispersada lejos de la fuente utilizando la teoría de matrices [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] o la ley generalizada de Snell. [ 110 ] [ 111 ] Esto ha dado lugar a formas aerodinámicamente favorables para los objetivos con una RCS reducida.

Protección sísmica

Los metamateriales sísmicos contrarrestan los efectos adversos de las ondas sísmicas en las estructuras artificiales. [ 14 ] [ 112 ] [ 113 ]

Filtrado de sonido

Los metamateriales texturizados con arrugas a nanoescala podrían controlar señales de sonido o luz, como cambiar el color de un material o mejorar la resolución de ultrasonidos . Entre sus aplicaciones se incluyen ensayos no destructivos de materiales , diagnósticos médicos y supresión de sonido . Estos materiales se pueden fabricar mediante un proceso de deposición multicapa de alta precisión. El grosor de cada capa se puede controlar con una precisión de una fracción de longitud de onda. Posteriormente, el material se comprime, creando arrugas precisas cuyo espaciado puede provocar la dispersión de frecuencias seleccionadas. [ 114 ] [ 115 ]

Manipulaciones en modo guiado

Los metamateriales pueden integrarse con guías de onda ópticas para adaptar ondas electromagnéticas guiadas ( metaguía de onda ). [ 116 ] Las estructuras sublongitudinales como los metamateriales pueden integrarse, por ejemplo, con guías de onda de silicio para desarrollar divisores de haz polarizantes [ 117 ] y acopladores ópticos, [ 118 ] añadiendo nuevos grados de libertad para controlar la propagación de la luz a nanoescala en dispositivos fotónicos integrados. [ 119 ] Se pueden desarrollar otras aplicaciones como convertidores de modo integrados, [ 120 ] (de)multiplexores de polarización, [ 121 ] generación de luz estructurada, [ 122 ] y biosensores en chip . [ 123 ] [ 116 ]

Modelos teóricos

Todos los materiales están formados por átomos , que son dipolos . Estos dipolos modifican la velocidad de la luz por un factor n (el índice de refracción). En un resonador de anillo partido, el anillo y el alambre actúan como dipolos atómicos: el alambre actúa como un átomo ferroeléctrico , el anillo como un inductor L y la sección abierta como un condensador C. El anillo en su conjunto actúa como un circuito LC . Cuando el campo electromagnético atraviesa el anillo, se genera una corriente inducida. El campo generado es perpendicular al campo magnético de la luz. La resonancia magnética produce una permeabilidad negativa; el índice de refracción también es negativo. (La lente no es completamente plana, ya que la capacitancia de la estructura impone una pendiente a la inducción eléctrica).

Varios modelos de materiales (matemáticos) predicen la respuesta en frecuencia en DNG. Uno de ellos es el modelo de Lorentz , que describe el movimiento de los electrones en términos de un oscilador armónico impulsado y amortiguado . El modelo de relajación de Debye se aplica cuando el componente de aceleración del modelo matemático de Lorentz es pequeño en comparación con los demás componentes de la ecuación. El modelo de Drude se aplica cuando el componente de fuerza restauradora es despreciable y el coeficiente de acoplamiento es generalmente la frecuencia de plasma . Otras distinciones de componentes requieren el uso de uno de estos modelos, dependiendo de su polaridad o propósito. [ 3 ]

Los compuestos tridimensionales de inclusiones metálicas/no metálicas incrustadas periódica o aleatoriamente en una matriz de baja permitividad se modelan habitualmente mediante métodos analíticos, incluyendo fórmulas de mezcla y métodos basados ​​en la matriz de dispersión. La partícula se modela mediante un dipolo eléctrico paralelo al campo eléctrico o un par de dipolos eléctricos y magnéticos cruzados, paralelos a los campos eléctrico y magnético, respectivamente, de la onda aplicada. Estos dipolos son los términos principales de la serie multipolar. Son los únicos existentes para una esfera homogénea, cuya polarizabilidad se puede obtener fácilmente a partir de los coeficientes de dispersión de Mie . En general, este procedimiento se conoce como la "aproximación del dipolo puntual", que es una buena aproximación para metamateriales compuestos por esferas eléctricamente pequeñas. Entre las ventajas de estos métodos se incluyen el bajo coste computacional y la simplicidad matemática. [ 124 ] [ 125 ]

Tres conceptos —medio de índice negativo, cristal no reflectante y superlente— constituyen los fundamentos de la teoría de los metamateriales. Otras técnicas basadas en primeros principios para el análisis de medios electromagnéticos triplemente periódicos pueden encontrarse en el apartado de Computación de la estructura de bandas fotónicas.

Redes institucionales

MURI

La Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) abarca decenas de universidades y algunas organizaciones gubernamentales. Entre las universidades participantes se encuentran la UC Berkeley, la UC Los Angeles, la UC San Diego, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y el Imperial College de Londres. Los patrocinadores son la Oficina de Investigación Naval y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa . [ 126 ]

MURI apoya la investigación que abarca más de una disciplina tradicional de ciencia e ingeniería para acelerar tanto la investigación como su aplicación práctica. En 2009, se esperaba que 69 instituciones académicas participaran en 41 proyectos de investigación. [ 127 ]

Metamorfosearse

El Instituto Virtual de Materiales Electromagnéticos Artificiales y Metamateriales "Metamorphose VI AISBL" es una asociación internacional que promueve los materiales electromagnéticos artificiales y los metamateriales. Organiza congresos científicos, apoya revistas especializadas, crea y gestiona programas de investigación, ofrece programas de formación (incluidos doctorados y programas de formación para socios industriales) y facilita la transferencia de tecnología a la industria europea. [ 128 ] [ 129 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Shelby, RA; Smith DR; Shultz S.; Nemat-Nasser SC (2001). "Transmisión de microondas a través de un metamaterial bidimensional, isotrópico y zurdo" (PDF) . Applied Physics Letters . 78 (4): 489. Bibcode : 2001ApPhL..78..489S . doi : 10.1063/1.1343489 . Archivado del original (PDF) el 18 de junio de 2010.
  2. ↑ Smith, DR; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S (2000). "Medio compuesto con permeabilidad y permitividad simultáneamente negativas" . Physical Review Letters . 84 (18): 4184– 87. Bibcode : 2000PhRvL..84.4184S . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.4184 . PMID 10990641 . 
  3. 1 2 3 Engheta, Nader ; Richard W. Ziolkowski (junio de 2006). Metamateriales: Exploraciones físicas y de ingeniería . Wiley & Sons . págs. xv, 3–30 , 37, 143–50 , 215–34 , 240–56 . ISBN  978-0-471-76102-0.
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  • Evaluación rápida de tecnología del Gobierno del Reino Unido sobre metamateriales
  • PwC Tech Traducido: Metamateriales
  • Centro de Investigación e Innovación en Metamateriales, Universidad de Exeter, Reino Unido www.metamaterials.center
  • Instituto de Física, Proyecto de Impacto " Comercialización de Metamateriales "