Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

absorbedor de metamaterial

Un absorbedor de metamaterial [ 1 ] es un tipo de metamaterial diseñado para absorber eficientemente la radiación electromagnética , como la luz . Además, los metamateriales rep...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Un absorbedor de metamaterial [ 1 ] es un tipo de metamaterial diseñado para absorber eficientemente la radiación electromagnética , como la luz . Además, los metamateriales representan un avance en la ciencia de los materiales . Por lo tanto, aquellos metamateriales diseñados como absorbedores ofrecen ventajas sobre los absorbedores convencionales, como una mayor miniaturización, una adaptabilidad más amplia y una mayor eficacia. Las aplicaciones previstas para el absorbedor de metamaterial incluyen emisores, fotodetectores , sensores , moduladores espaciales de luz , camuflaje infrarrojo, comunicación inalámbrica y su uso en energía solar fotovoltaica y termofotovoltaica .

Para aplicaciones prácticas, los absorbedores de metamateriales se pueden dividir en dos tipos: banda estrecha y banda ancha. [ 2 ] Por ejemplo, los absorbedores de metamateriales se pueden usar para mejorar el rendimiento de los fotodetectores . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Los absorbedores de metamateriales también se pueden usar para mejorar la absorción tanto en aplicaciones fotovoltaicas solares [ 6 ] [ 7 ] como termofotovoltaicas [ 8 ] [ 9 ] . La ingeniería de profundidad de penetración se puede usar en absorbedores de metamateriales en aplicaciones fotovoltaicas , así como en otros dispositivos optoelectrónicos, donde la optimización del rendimiento del dispositivo exige minimizar las pérdidas resistivas y el consumo de energía, como fotodetectores , diodos láser y diodos emisores de luz . [ 10 ]

Además, la aparición de absorbentes de metamateriales permite a los investigadores comprender mejor la teoría de los metamateriales , que se deriva de la teoría clásica de las ondas electromagnéticas . Esto conduce a la comprensión de las capacidades del material y las razones de sus limitaciones actuales. [ 1 ]

Desafortunadamente, lograr una absorción de banda ancha, especialmente en la región de THz (y frecuencias más altas), sigue siendo una tarea desafiante debido al ancho de banda intrínsecamente estrecho de los polaritones de plasmón de superficie (SPP) o resonancias de plasmón de superficie localizadas (LSPR) generadas en superficies metálicas a nanoescala, que se aprovechan como un mecanismo para obtener una absorción perfecta. [ 2 ]

metamateriales

Los metamateriales son materiales artificiales que exhiben propiedades únicas que no se dan en la naturaleza. Generalmente, se trata de conjuntos de estructuras más pequeñas que la longitud de onda con la que interactúan. Estas estructuras tienen la capacidad de controlar la radiación electromagnética de maneras únicas que no presentan los materiales convencionales. El espaciado y la forma de los componentes de un metamaterial determinado definen su uso y la manera en que controla la radiación electromagnética. A diferencia de la mayoría de los materiales convencionales, los investigadores en este campo pueden controlar físicamente la radiación electromagnética alterando la geometría de los componentes del material. Las estructuras de metamateriales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones y en un amplio rango de frecuencias, desde radiofrecuencias hasta microondas , terahercios , a través del espectro infrarrojo y casi hasta longitudes de onda visibles . [ 1 ]

Absorbedores

"Un absorbedor electromagnético no refleja ni transmite la radiación incidente. Por lo tanto, la potencia de la onda incidente es absorbida en su mayor parte por los materiales del absorbedor. El rendimiento de un absorbedor depende de su espesor y morfología, así como de los materiales utilizados para su fabricación." [ 11 ]

Un absorbedor cercano a la unidad es un dispositivo en el que toda la radiación incidente se absorbe a la frecuencia de operación; la transmitancia, la reflectividad, la dispersión y todos los demás canales de propagación de la luz se desactivan. Los absorbedores de ondas electromagnéticas (EM) se pueden clasificar en dos tipos: absorbedores resonantes y absorbedores de banda ancha. [ 2 ] [ 12 ]

Conceptos principales

Un absorbedor de metamateriales utiliza el diseño de medio efectivo de los metamateriales y los componentes de pérdida de la permitividad y la permeabilidad magnética para crear un material con una alta relación de absorción de radiación electromagnética. Se observa pérdida en aplicaciones de índice de refracción negativo ( metamateriales fotónicos , metamateriales para sistemas de antenas ) u óptica de transformación ( camuflaje de metamateriales , mecánica celeste), pero generalmente no es deseable en estas aplicaciones. [ 1 ] [ 13 ]

La permitividad y la permeabilidad complejas se derivan de los metamateriales mediante el enfoque del medio efectivo . Como medios efectivos, los metamateriales se caracterizan por la permitividad efectiva compleja ε(w) = ε₁ + iε₂ y la permeabilidad efectiva μ(w) = μ₁ + iμ₂ . Los valores complejos de la permitividad y la permeabilidad suelen corresponder a la atenuación en un medio. La mayor parte del trabajo en metamateriales se centra en las partes reales de estos parámetros, que se relacionan con la propagación de ondas más que con la atenuación. Los componentes de pérdida (imaginarios) son pequeños en comparación con las partes reales y, a menudo, se desprecian en estos casos.

Sin embargo, los términos de pérdida (ε₂ y μ₂ ) también pueden diseñarse para crear una alta atenuación y, en consecuencia, una gran absorción. Manipulando independientemente las resonancias en ε y μ, es posible absorber tanto el campo eléctrico como el magnético incidente. Además, un metamaterial puede adaptarse a la impedancia del espacio libre mediante el diseño de su permitividad y permeabilidad, minimizando así la reflectividad. De este modo, se convierte en un absorbedor de alta capacidad. [ 1 ] [ 13 ] [ 14 ]

Este enfoque puede utilizarse para crear absorbedores delgados. Los absorbedores convencionales típicos son gruesos en comparación con las longitudes de onda de interés, [ 15 ] lo cual representa un problema en muchas aplicaciones. Dado que los metamateriales se caracterizan por su naturaleza sublongitudinal, pueden utilizarse para crear absorbedores eficaces y a la vez delgados. Esto no se limita a la absorción electromagnética. [ 15 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Landy NI, et  al. (21 de mayo de 2008). "Absorbedor de metamaterial perfecto" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 100 (20): 207402 (2008) [4 páginas]. arXiv : 0803.1670 . Bibcode : 2008PhRvL.100t7402L . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.207402 . PMID 18518577. S2CID 13319253. Archivado del original (PDF) el 4 de junio de 2011. Recuperado el 22 de enero de 2010 .  
  2. 1 2 3 4 Yu, Peng; Besteiro, Lucas V.; Huang, Yongjun; Wu, Jiang; Fu, Lan ; Bronceado, Hark H.; Jagadish, Chennupati; Wiederrecht, Gary P.; Govorov, Alexander O. (2018). "Absorbedores de metamateriales de banda ancha" . Materiales ópticos avanzados . 7 (3) 1800995. doi : 10.1002/adom.201800995 . hdl : 1885/213159 . ISSN 2195-1071 . 
  3. ↑ Li, W.; Valentine, J. (2014). "Detección fotográfica de electrones calientes basada en un absorbedor perfecto de metamateriales". Nano Letters . 14 (6): 3510– 3514. Bibcode : 2014NanoL..14.3510L . doi : 10.1021/nl501090w . PMID 24837991 . 
  4. ↑ Yu, Peng; Wu, Jiang; Ashalley, Eric; Govorov, Alexander; Wang, Zhiming (2016). "Absorbedor de doble banda para fotodetección infrarroja mejorada por plasmones multiespectrales" (PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . 49 (36) 365101. Bibcode : 2016JPhD...49J5101Y . doi : 10.1088/0022-3727/49/36/365101 . ISSN 0022-3727 . S2CID 123927835 .  
  5. ↑ Awad, Ehab (21 de junio de 2022). "Metamaterial de grafeno incrustado en una optena Bundt para absorción mejorada de infrarrojos de banda ultraancha" . Nanomaterials . 12 (13): 2131. doi : 10.3390/nano12132131 . PMC 9268047. PMID 35807966 .  
  6. ↑ Vora, A.; Gwamuri, J.; Pala, N.; Kulkarni, A.; Pearce, JM; Güney, D. Ö. (2014). "Intercambio de pérdidas óhmicas en absorbedores de metamateriales con absorción óptica útil para energía fotovoltaica" . Sci . Rep . 4 4901. arXiv : 1404.7069 . Bibcode : 2014NatSR...4.4901V . doi : 10.1038/srep04901 . PMC 4014987. PMID 24811322 .  
  7. ↑ Wang, Y.; Sun, T.; Paudel, T.; Zhang, Y.; Ren, Z.; Kempa, K. (2011). "Estructura de absorbedor plasmónico de metamaterial para células solares de silicio amorfo de alta eficiencia". Nano Letters . 12 (1): 440– 445. Bibcode : 2012NanoL..12..440W . doi : 10.1021/nl203763k . PMID 22185407 . 
  8. ↑ Wu, C.; Neuner III, B.; John, J.; Milder, A.; Zollars, B.; Savoy, S.; Shvets, G. (2012). "Absorbedor/emisor plasmónico integrado basado en metamateriales para sistemas solares termofotovoltaicos". Journal of Optics . 14 (2) 024005. Bibcode : 2012JOpt...14b4005W . doi : 10.1088/2040-8978/14/2/024005 . S2CID 120371536 . 
  9. ↑ Simovski, Constantin; Maslovski, Stanislav; Nefedov, Igor; Tretyakov, Sergei (2013). "Optimización de la transferencia de calor radiativa en metamateriales hiperbólicos para aplicaciones termofotovoltaicas" . Optics Express . 21 (12): 14988– 15013. Bibcode : 2013OExpr..2114988S . doi : 10.1364/oe.21.014988 . PMID 23787687 . 
  10. ↑ Adams, Wyatt; Vora, Ankit; Gwamuri, Jephias; Pearce, Joshua M.; Guney, Durdu Ö. (2015). Subramania, Ganapathi S; Foteinopoulou, Stavroula (eds.). "Control de la absorción óptica en absorbedores de metamateriales para células solares plasmónicas" . Proc. SPIE 9546, Active Photonic Materials VII . Active Photonic Materials VII. 9546 : 95461M. Bibcode : 2015SPIE.9546E..1MA . doi : 10.1117/12.2190396 . S2CID 8271761 . 
  11. ↑ Alici, Kamil Boratay; Bilotti, Filiberto; Vegni, Lucio; Ozbay, Ekmel (2010). "Verificación experimental de absorbedores de microondas sublongitudinales basados ​​en metamateriales" (Descarga gratuita de PDF) . Journal of Applied Physics . 108 (8): 083113–083113–6. Bibcode : 2010JAP...108h3113A . doi : 10.1063/1.3493736 . hdl : 11693/11975 . S2CID 51963014 . 
  12. ↑ Watts, Claire M.; Liu, Xianliang; Padilla, Willie J. (2012). "Absorbedores de ondas electromagnéticas de metamateriales" . Advanced Materials . 24 (23): OP98– OP120. Bibcode : 2012AdM....24P..98W . doi : 10.1002/adma.201200674 . PMID 22627995 . 
  13. 1 2 Tao, Hu; et al. (12 de mayo de 2008). "Un absorbedor de metamateriales para el régimen de terahercios: diseño, fabricación y caracterización" ( PDF) . Optics Express . 16 (10): 7181– 7188. arXiv : 0803.1646 . Bibcode : 2008OExpr..16.7181T . doi : 10.1364/OE.16.007181 . PMID 18545422. S2CID 15714828. Archivado del original (descarga gratuita de PDF) el 4 de junio de 2011. Recuperado el 22 de enero de 2010 .   
  14. ↑ Yu, Peng; Besteiro, Lucas V.; Wu, Jiang; Huang, Yongjun; Wang, Yueqi; Govorov, Alexander O.; Wang, Zhiming (6 de agosto de 2018). "Absorbedor perfecto de metamaterial con absorción independiente del tamaño sin atenuación" . Optics Express . 26 (16): 20471– 20480. Bibcode : 2018OExpr..2620471Y . doi : 10.1364/OE.26.020471 . ISSN 1094-4087 . PMID 30119357 .  
  15. 1 2 Yang, Z.; et al. (2010). "Paneles de metamateriales acústicos para la atenuación del sonido en el régimen de 50–1000 Hz". Appl. Phys. Lett . 96 (4): 041906 [3 páginas]. Bibcode : 2010ApPhL..96d1906Y . doi : 10.1063/1.3299007 . S2CID 123233731 .  

Lecturas adicionales

  • Alici, Kamil Boratay; Turhan, Adil Burak; Soukoulis, Costas M.; Ozbay, Ekmel (2011). "Absorbedor resonante compuesto ópticamente delgado en la banda del infrarrojo cercano: una configuración de banda ancha e independiente de la polarización" (PDF) . Optics Express . 19 (15): 14260–7 . Bibcode : 2011OExpr..1914260B . doi : 10.1364/OE.19.014260 . hdl : 11693/12111 . PMID 21934790 . 
  • Baker-Jarvis, James; Kim, Sung (2012). "La interacción de campos de radiofrecuencia con materiales dieléctricos a escalas macroscópicas y mesoscópicas" . Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology . 117 : 1–60 . doi : 10.6028/jres.117.001 . PMC 4553869. PMID 26900513 .  
  • Costa, Filippo; Monorchio, Agostino; Manara, Giuliano (2010). "Análisis y diseño de absorbedores electromagnéticos ultrafinos que comprenden superficies de alta impedancia con carga resistiva". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 58 (5): 1551– 1558. arXiv : 1005.1553 . Bibcode : 2010ITAP...58.1551C . doi : 10.1109/TAP.2010.2044329 . S2CID 26617084 . **La descarga en PDF anterior es una versión autopublicada de este artículo. * Munk, Benedikt A. (2000). Superficies selectivas de frecuencia: teoría y diseño . Nueva York: John Wiley & Sons. págs. 315–317 . ISBN  978-0-471-37047-5.La pantalla de Salisbury , inventada por el ingeniero estadounidense Winfield Salisbury en 1952.
  • Salisbury WW "Cuerpo absorbente para ondas electromagnéticas", patente estadounidense número 2599944 , 10 de junio de 1952. También citado en Munk.
  • Imágenes - Esquema simple de absorbedores de microondas miniaturizados de Kamil Boratay Alıcı (doctor en física) del Centro de Investigación en Nanotecnología de la Universidad de Bilkent .
Lecturas relacionadas
6 articulos
MetamaterialMetamaterialUn metamaterial (de la palabra griega μετά meta , que significa "más allá" o "después", y la palabra latina materia , que significa "materia" o "ma...Radiación electromagnéticaRadiación electromagnéticaUna onda electromagnética polarizada linealmente que va en el eje z, donde E denota el campo eléctrico y B perpendicular denota el campo magnético....LuzLuzLa luz , luz visible o radiación visible es la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano . [1] La luz visible abarca el ...Ciencias de los materialesCiencias de los materialesLa ciencia de los materiales es un campo interdisciplinario de investigación y descubrimiento de materiales . La ingeniería de materiales es un cam...FotodetectorFotodetectorLos fotodetectores , también llamados fotosensores , son dispositivos que detectan la luz u otras formas de radiación electromagnética y la convier...SensorSensorUn sensor es un dispositivo que produce una señal de salida con el fin de detectar un fenómeno físico.