Metasuperficie electromagnética

Una metasuperficie electromagnética es un material bidimensional artificial diseñado para controlar el comportamiento de las ondas electromagnéticas mediante matrices de estructuras sublongitudinales. A diferencia de los metamateriales convencionales , que logran propiedades inusuales mediante una estructura tridimensional, las metasuperficies manipulan las ondas en una interfaz imponiendo cambios abruptos en amplitud, fase o polarización. Su delgada forma plana les permite realizar funciones que tradicionalmente requieren componentes ópticos voluminosos, como lentes o polarizadores, dentro de una única capa ultrafina. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las metasuperficies se construyen típicamente a partir de disposiciones periódicas o aperiódicas de elementos resonantes, como antenas metálicas, dispersores dieléctricos o películas con patrones, que interactúan con las ondas incidentes. Según el diseño, pueden operar en modos reflectantes, transmisivos o absorbentes, lo que permite aplicaciones en direccionamiento de haces , conformación de frentes de onda, holografía e ingeniería de dispersión. Los diseños más avanzados integran materiales sintonizables (por ejemplo, cristales líquidos , grafeno o compuestos de cambio de fase), creando superficies inteligentes reconfigurables que permiten un control dinámico y programable de los patrones de dispersión y radiación. ^{[ 3 ]}

Históricamente, las metasuperficies se basan en los primeros estudios de difracción anómala en rejillas metálicas ( anomalía de Wood , 1902) y el posterior desarrollo de polaritones de plasmones superficiales . El campo se expandió significativamente a principios de la década de 2000 con la aparición de nanoestructuras plasmónicas y en la década de 2010 con la demostración de "óptica plana" y hologramas planares. Desde entonces, se han desarrollado metasuperficies para una amplia gama de longitudes de onda, desde radiofrecuencia (RF) y microondas hasta luz visible, lo que permite la investigación en tecnología furtiva, comunicaciones, imágenes y biodetección. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Las metasuperficies se estudian ampliamente como una plataforma versátil para la ingeniería electromagnética y óptica. Sirven tanto como herramientas para explorar leyes generalizadas de reflexión y refracción, como tecnologías facilitadoras para sistemas ópticos compactos, reducción de la sección transversal de radar, fotónica integrada y bioimágenes. Su rápido desarrollo las ha consolidado como un tema importante en la nanofotónica contemporánea, la investigación de antenas y la ciencia de los materiales. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 6 ]}

Una metasuperficie se define generalmente como una matriz bidimensional artificialmente estructurada de elementos sublongitudinales que controlan colectivamente las propiedades de las ondas electromagnéticas en una interfaz. Debido a que su espesor es despreciable en comparación con la longitud de onda de operación, las metasuperficies pueden tratarse como discontinuidades que imponen cambios abruptos en la amplitud, la fase o la polarización de las ondas incidentes. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Aunque varios autores enfatizan diferentes aspectos, como matrices de nanoantenas, ^{[ 6 ]} elementos de dispersión periódicos, ^{[ 7 ]} o películas ultrafinas con absorción inusual, ^{[ 1 ]} el concepto unificador es que las metasuperficies derivan su funcionalidad de estructuras bidimensionales diseñadas en lugar de la composición del material a granel.

Las metasuperficies pueden clasificarse de diversas maneras complementarias, según su modo de interacción, su función prevista o su mecanismo de implementación. Estas categorías suelen superponerse: un mismo dispositivo puede ser reflectante y reconfigurable, o bien cumplir simultáneamente funciones de direccionamiento de haces y conversión de polarización.

Mediante interacción

• Reflectante ( antena reflectarray ): remodela las ondas incidentes mediante reflexión, generalmente utilizando un plano de tierra metálico. ^{[ 6 ]}
• Transmisivas ( antena Transmitarray ): modifican las ondas a medida que pasan a través de ellas, funcionando como lentes ultrafinas. ^{[ 8 ]}
• Absorbente ( absorbente de metamaterial ): suprime la reflexión y la transmisión para lograr una absorción casi perfecta. ^{[ 9 ]}

Por intención funcional

• Dirección y enfoque del haz: redirigir o concentrar la energía mediante el control del gradiente de fase. ^{[ 5 ]}
• Conformación de frentes de onda y holografía: generación de haces estructurados (hologramas, haces de vórtice) mediante control de amplitud y fase. ^{[ 10 ]}
• Ingeniería de dispersión: diseño de la respuesta en frecuencia/tiempo para filtrado o corrección cromática. ^{[ 2 ]}
• Conversión de polarización: conversión entre estados de polarización lineal y circular, a menudo mediante elementos de fase geométrica (Pancharatnam-Berry). ^{[ 5 ]}

Por mecanismo

• Las metasuperficies pasivas se basan en una geometría fija para producir una respuesta estática (por ejemplo, diseños holográficos o de ondas con fugas).
• Las metasuperficies reconfigurables (también llamadas RIS o metasuperficies programables) incorporan componentes ajustables como MEMS, cristales líquidos o grafeno para permitir el control dinámico de los patrones de dispersión y radiación. ^{[ 11 ]}

La investigación sobre metasuperficies electromagnéticas tiene una larga historia. A principios de 1902, Robert W. Wood descubrió que los espectros de reflexión de rejillas metálicas sublongitudinales presentaban zonas oscuras. Este fenómeno inusual se denominó anomalía de Wood y condujo al descubrimiento del polaritón de plasmón superficial (SPP), ^{[ 12 ]} una onda electromagnética particular excitada en superficies metálicas. Posteriormente, se introdujo otro fenómeno importante, la relación de Levi-Civita, ^{[ 13 ]} que establece que una película de espesor sublongitudinal puede provocar un cambio drástico en las condiciones de contorno electromagnéticas.

En términos generales, las metasuperficies podrían incluir algunos conceptos tradicionales en el espectro de microondas, como superficies selectivas en 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 penetración 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 podría absorber todas las ondas electromagnéticas en las frecuencias de RF, microondas y terahercios. ^{[ 9 ] [ 14 ] [ 15 ]}

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

En los últimos años, se han desarrollado varias metasuperficies nuevas, incluidas metasuperficies plasmónicas , ^{[ 16 ] [ 4 ] [ 6 ] [ 17 ]} metasuperficies basadas en fases geométricas, ^{[ 5 ] [ 18 ]} metasuperficies basadas en láminas de impedancia, ^{[ 19 ] [ 20 ]} y metasuperficies con simetría de deslizamiento. ^{[ 21 ]}

Una de las aplicaciones más importantes de las metasuperficies es controlar un frente de onda de ondas electromagnéticas impartiendo cambios de fase locales y graduales a las ondas incidentes, lo que lleva a una generalización de las antiguas leyes de reflexión y refracción . ^{[ 5 ]} De esta manera, una metasuperficie puede usarse como una lente plana, ^{[ 22 ] [ 23 ]} una lente de iluminación, ^{[ 24 ]} un holograma plano , ^{[ 10 ]} un generador de vórtices, ^{[ 25 ]} un deflector de haz, un axicón , etc. ^{[ 18 ] [ 26 ]}

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 de superficie en las capas metálicas ultrafinas, podría ser posible obtener imágenes perfectas y litografía de superresolución, lo que rompe con la suposición común de que todos los sistemas de lentes ópticas están limitados por la difracción, un fenómeno llamado límite de difracción . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

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 . ^{[ 29 ]} Esta lente se utiliza actualmente en productos de sistemas de defensa de Raytheon.

Otra aplicación prometedora se encuentra en el campo de la tecnología furtiva . La sección transversal de radar (RCS) de un objetivo se ha reducido tradicionalmente mediante material absorbente de radiación (RAM) o mediante la modificación de la forma del objetivo para que la energía dispersada se pueda redirigir lejos de la fuente. Desafortunadamente, los RAM tienen una funcionalidad de banda de frecuencia estrecha, y la modificación de la forma limita el rendimiento aerodinámico del objetivo. Se han sintetizado metasuperficies que redirigen la energía dispersada lejos de la fuente utilizando la teoría de matrices ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} o la ley generalizada de Snell. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Esto ha dado lugar a formas aerodinámicamente favorables para los objetivos con RCS reducida.

Las metasuperficies también pueden integrarse con guías de onda ópticas para controlar ondas electromagnéticas guiadas . ^{[ 35 ] [ 36 ]} Se pueden habilitar aplicaciones para metaguías de onda tales como convertidores de modo de guía de onda integrados, ^{[ 36 ]} generaciones de luz estructurada, ^{[ 37 ] [ 38 ]} multiplexores versátiles, ^{[ 39 ] [ 40 ]} y redes neuronales fotónicas . ^{[ 41 ]}

Además, las metasuperficies también se aplican en absorbentes electromagnéticos, convertidores de polarización, polarímetros y filtros de espectro. ^{[ 42 ]} Recientemente también han surgido y se han reportado nuevos dispositivos de bioimagen y biodetección potenciados por metasuperficies. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} Para muchos dispositivos de bioimagen basados ​​en óptica, su gran tamaño y peso físico han limitado su uso en entornos clínicos. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Existen diversos métodos para simular la interacción de ondas electromagnéticas en metasuperficies y para posibilitar su diseño, como el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), el método de elementos finitos (FEM) y el análisis riguroso de ondas acopladas (RCWA).

Para metasuperficies ópticas planas, 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 proporciona 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 ]}

Históricamente, los métodos de simulación tradicionales han sido eficaces para modelar metasuperficies electromagnéticas, proporcionando información valiosa y resultados fiables. Sin embargo, los recientes avances en inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (AA) han revolucionado este campo al ofrecer capacidades significativamente mejoradas ^{[ 51 ] [ 52 ]} . Estas técnicas modernas no solo son más rápidas, sino también más precisas, lo que permite a investigadores e ingenieros realizar simulaciones complejas con mayor precisión y eficiencia. Los algoritmos de IA y AA pueden analizar grandes conjuntos de datos, identificar patrones intrincados y realizar predicciones que serían computacionalmente intensivas o inviables con los métodos convencionales. Como resultado, la integración de la IA y el aprendizaje automático en las simulaciones de metasuperficies electromagnéticas ha abierto nuevas vías para la innovación, permitiendo la creación de prototipos, la optimización y el análisis en tiempo real más rápidos en diversas aplicaciones, como el diseño de antenas, los sistemas de radar y las pruebas de compatibilidad electromagnética.

La caracterización de metasuperficies en el dominio óptico requiere métodos de imagen avanzados, ya que las propiedades ópticas involucradas suelen incluir propiedades de fase y polarización . Trabajos recientes sugieren que la pticografía vectorial , un método de imagen computacional desarrollado recientemente, puede ser relevante. Combina el mapeo de la matriz de Jones con una resolución lateral microscópica, incluso en muestras grandes. ^{[ 53 ]}

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