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metamaterial no lineal

Un metamaterial no lineal es un material artificial que puede exhibir propiedades aún no presentes en la naturaleza. Su respuesta a la radiación electromagnética se caracteriza ...

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Un metamaterial no lineal es un material artificial que puede exhibir propiedades aún no presentes en la naturaleza. Su respuesta a la radiación electromagnética se caracteriza por su permitividad y permeabilidad . El producto de la permitividad y la permeabilidad da como resultado el índice de refracción . A diferencia de los materiales naturales, los metamateriales no lineales pueden producir un índice de refracción negativo. Además, pueden generar una respuesta no lineal más pronunciada que los materiales naturales.

Los metamateriales no lineales son medios de transmisión periódicos y no lineales . Se trata de un tipo de metamaterial de índice negativo donde la no linealidad se obtiene gracias a que el campo eléctrico microscópico de las inclusiones puede ser mayor que el campo eléctrico macroscópico de la fuente electromagnética (EM) . Esto se convierte en una herramienta útil que permite potenciar el comportamiento no lineal del metamaterial . Sin embargo, se puede derivar una respuesta no lineal dominante de la dependencia de tipo histéresis de la permeabilidad magnética del material con respecto al componente magnético de la onda electromagnética incidente (luz) que se propaga a través del material. Además, esta dependencia de tipo histéresis de la permeabilidad magnética con respecto a la intensidad del campo permite cambiar la polaridad del material de izquierda a derecha y viceversa.

Los medios no lineales son esenciales para la óptica no lineal . Sin embargo, la mayoría de los materiales ópticos tienen una respuesta no lineal relativamente débil, lo que significa que sus propiedades solo cambian en una pequeña cantidad para grandes cambios en la intensidad del campo electromagnético . Los metamateriales no lineales pueden superar esta limitación, ya que los campos locales de las estructuras resonantes pueden ser mucho mayores que el valor promedio del campo [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] - en este sentido los metamateriales son similares a otros medios compuestos, como por ejemplo los compuestos metal-dieléctricos aleatorios , incluidos los cúmulos fractales y las películas metálicas semicomultinas/de percolación, donde las áreas con campos de luz locales mejorados [ 4 ] - "puntos calientes" [ a ] ​​- producen respuestas ópticas lineales y no lineales gigantes. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

  1. ↑ a veces denominados"puntos calientes" de Shalaev : véase, por ejemplo, [ 5 ]

Descripción general de los metamateriales

Los metamateriales son encarnaciones de materiales propuestos por primera vez por el teórico ruso Victor Veselago en 1967.

Los metamateriales no lineales , un tipo de metamaterial , se están desarrollando para manipular la radiación electromagnética de formas novedosas. Las propiedades ópticas y electromagnéticas de los materiales naturales suelen modificarse mediante procesos químicos. Con los metamateriales, estas propiedades pueden diseñarse a través de la geometría de sus celdas unitarias. Las celdas unitarias son materiales ordenados en disposiciones geométricas con dimensiones que son fracciones de la longitud de onda de la onda electromagnética radiada . [ 10 ] [ 11 ]

Al tener la libertad de modificar los efectos ajustando las configuraciones y tamaños de las celdas unitarias, se puede controlar la permitividad y la permeabilidad magnética . Estos dos parámetros (o magnitudes) determinan la propagación de las ondas electromagnéticas en la materia. Por lo tanto, se pueden ampliar los efectos electromagnéticos y ópticos que se pueden lograr.

Las propiedades ópticas pueden ampliarse más allá de las capacidades de lentes, espejos y otros materiales convencionales. Uno de los efectos más estudiados es el índice de refracción negativo, propuesto por primera vez por Victor Veselago en 1967. Los materiales con índice negativo exhiben propiedades ópticas opuestas a las del vidrio, el aire y otros materiales convencionales. A las frecuencias adecuadas, los materiales con índice negativo refractan las ondas electromagnéticas de formas novedosas, hasta un índice cero o negativo. Además, la energía puede propagarse en la dirección opuesta, lo que puede dar lugar a mecanismos de compensación, entre otras posibilidades. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Interacciones

Los materiales que dispersan la luz u otras ondas electromagnéticas generan un proceso físico general en el que las diferentes frecuencias de la luz se desvían de una trayectoria recta. Esto se debe a que, físicamente, el material no es uniforme en uno, varios o muchos puntos. [ 15 ]

Además, las ciencias ópticas hacen predicciones sobre la trayectoria de la luz al atravesar un material. Cuando la luz se desvía de su trayectoria prevista (reflejada), esto también se considera dispersión . Los resonadores de anillo partido que componen los metamateriales están diseñados para dispersar la luz en resonancia . Además, estos elementos de dispersión resonante se diseñan deliberadamente con un tamaño uniforme en todo el material. Este tamaño uniforme es mucho menor que la longitud de onda de la frecuencia de la luz que se propaga a través del material. [ 15 ]

Dado que los elementos repetitivos, dispersos y resonantes que componen el material diseñado son mucho más pequeños que la frecuencia de propagación de la luz, los metamateriales también pueden describirse en términos de magnitudes macroscópicas . Esta descripción es simplemente otra forma de visualizar los metamateriales. Estas magnitudes son la permitividad eléctrica , ε, y la permeabilidad magnética , μ . [ 15 ] [ 16 ]

Por lo tanto, al diseñar la unidad individual y geométrica del material, llamada célula, como el tipo adecuado de compuesto, se convierte en un material con propiedades macroscópicas que no se dan en la naturaleza . [ 15 ] [ 16 ]

De particular interés en relación con los metamateriales no lineales , es la propiedad macroscópica inducida artificialmente conocida como índice de refracción negativo . Este efecto es creado por metamateriales de índice negativo (NIM), que se emplean como metamateriales no lineales . [ 1 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] En los NIM, los fenómenos no lineales como la generación de segundo armónico y la amplificación paramétrica pueden adquirir características muy inusuales. Es decir, el hecho de que el vector de onda y el vector de Poynting de una onda que se propaga en un NIM estén dirigidos en direcciones opuestas altera las condiciones de adaptación de fase para las ondas interactuantes, lo que resulta en ondas que se propagan hacia atrás, así como en relaciones de Manley-Rowe considerablemente modificadas y en la distribución espacial de la intensidad de los campos interactuantes. [ 21 ]

Propiedades no lineales de los metamateriales zurdos

Estudios previos sobre metamateriales zurdos o de índice negativo se centraron en las propiedades lineales del medio durante la propagación de ondas . En estos casos, se consideraba que la permeabilidad magnética y la permitividad del material no dependían de la intensidad del campo electromagnético. Sin embargo, la creación de estructuras sintonizables requiere el conocimiento de propiedades no lineales, donde la intensidad del campo electromagnético altera la permitividad, la permeabilidad o ambas, lo que a su vez afecta el rango de los espectros de transmisión o de banda prohibida . Por lo tanto, la permeabilidad efectiva depende de la intensidad del campo magnético macroscópico . Al variar la intensidad del campo, puede producirse un cambio entre sus valores positivos y negativos. En consecuencia, el material puede cambiar de ser zurdo a ser diestro, o viceversa. [ 2 ] [ 17 ]

Una estructura compuesta formada por una red cuadrada de matrices periódicas de cables conductores y resonadores de anillo partido produce una respuesta magnética mejorada. Sin la respuesta magnética adecuada, no es posible producir un material zurdo. [ 2 ] [ 17 ]

Resonadores de anillo partido sintonizables para metamateriales no lineales de índice negativo.

Se incorporan diodos de capacitancia variable en la celda de anillo partido, lo que produce un sistema sintonizable dinámicamente. [ 18 ]

Índice de refracción reconfigurable (infrarrojo)

Se aplica radiación de fuente con longitudes de onda infrarrojas cercanas a un sistema de metamateriales . El índice de refracción puede reconfigurarse para exhibir valores negativos, cero o positivos. [ 19 ]

metamaterial sintonizable no lineal de microondas SRR

La fabricación y los estudios experimentales de las propiedades del primer metamaterial sintonizable no lineal se llevaron a cabo en frecuencias de microondas . Dicho metamaterial se fabricó modificando las propiedades de los resonadores de anillo dividido (SRR) e introduciendo diodos varactores en cada elemento SRR de la estructura compuesta, de modo que toda la estructura se vuelve dinámicamente sintonizable al variar la amplitud de las ondas electromagnéticas propagantes . En particular, se demostró la transmisión dependiente de la potencia de los metamateriales magnéticos y zurdos a potencias más altas, así como la generación de armónicos específicos, como se había sugerido teóricamente con anterioridad. [ 15 ]

metamateriales magnéticos no lineales de microondas SRR

La fabricación y los estudios experimentales de las propiedades del metamaterial magnético sintonizable no lineal se realizaron en frecuencias de microondas. Se introdujeron diodos varactores simétricamente, lo que resultó en una sintonización dinámica para toda la estructura. Dado que el componente magnético de la interacción determina la aplicación, se demostró la dependencia de la potencia. La mejora o supresión de la transmisión, dependiente de la no linealidad, resultó ser dinámicamente sintonizable. [ 23 ]

metamateriales eléctricos no lineales de microondas SRR

Se ha propuesto y diseñado una nueva clase de metamateriales no lineales para demostrar una respuesta eléctrica resonante en rangos de frecuencia de microondas. Estos metamateriales incorporan diodos varactores como componentes no lineales dentro de cada resonador. Este diseño permite manipular la frecuencia de la banda de parada del modo eléctrico modulando los niveles de potencia incidente. Es importante destacar que esta modulación no afecta las características de respuesta magnética del metamaterial. Estos elementos podrían combinarse con los metamateriales magnéticos no lineales desarrollados previamente para crear medios de índice negativo con control sobre las no linealidades eléctricas y magnéticas. [ 24 ]

Los resonadores no lineales se diseñan de manera similar. Se obtiene una fuerte respuesta eléctrica no lineal. [ 24 ]

Límite de subdifracción para lentes de metamaterial no lineales

Al cubrir las fuentes con una lente plana no lineal delgada, se puede lograr la observación por debajo del límite de difracción midiendo la distribución de campo cercano o la radiación de campo lejano de las fuentes en las frecuencias armónicas y calculando la IFT para obtener la imagen sublongitudinal de onda. Cuanto mayor sea el orden de los armónicos utilizados, mayor será la resolución obtenida. [ 25 ]

Metamaterial eléctrico no lineal

Se diseña y analiza un nuevo tipo de metamaterial no lineal con una respuesta eléctrica negativa dominante. La introducción de no linealidad en la respuesta eléctrica permite su sintonización, manteniendo la respuesta magnética inalterada. Es posible un metamaterial no lineal que contenga elementos eléctricos y magnéticos sintonizables, capaces de responder de forma independiente. [ 26 ]

Protección contra campos electromagnéticos mediante metamateriales no lineales.

Es bien sabido que, en ciertas frecuencias, los metales típicos pueden reflejar campos electromagnéticos (EM) y, por lo tanto, pueden utilizarse como materiales de apantallamiento electromagnético. Sin embargo, los materiales magnéticos líquidos (LHM) lineales convencionales no pueden utilizarse para apantallar campos electromagnéticos. Esto cambia drásticamente cuando se tiene en cuenta la no linealidad de la respuesta magnética, lo que crea un efecto de apantallamiento controlable en los LHM, acompañado de una reflexión paramétrica. [ 27 ]

metamaterial de metadímero

Un metadímero está compuesto por dos SRR espacialmente separados, siendo ambos SRR idénticos en cada celda unitaria. La proximidad de los SRR en el dímero da como resultado un acoplamiento relativamente fuerte entre ellos. Un metamaterial que comprende un gran número de dichos metadímeros puede utilizarse como un medio sintonizable activamente en longitudes de onda ópticas. Si uno o ambos SRR en el metadímero se vuelven no lineales, el metamaterial adquiere propiedades no lineales. Esto puede permitir un comportamiento no lineal, como la sintonización en tiempo real. Los estereometamateriales también son un tipo de metadímero. [ 16 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Krowne, CM; Zhang, Y. (2007). Física de la refracción negativa y materiales de índice negativo: aspectos ópticos y electrónicos y enfoques diversos . Springer-Verlag . págs. 331, 332. ISBN  978-3-540-72131-4.
  2. 1 2 3 Zharov, AA; Shadrivov, I.; Kivshar, Y. (2003). "Propiedades no lineales de metamateriales zurdos". Physical Review Letters . 91 (3) 037401. arXiv : cond-mat/0303443 . Bibcode : 2003PhRvL..91c7401Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.037401 . PMID 12906453 . S2CID 17817365 .  
  3. ↑ Shadrivov, Ilya (2008). "Metamateriales no lineales: un nuevo grado de libertad" . Sala de prensa de SPIE . CiteSeerX 10.1.1.497.6901 . doi : 10.1117/2.1200811.1390 . 
  4. ↑ DP Tsai, J. Kovacs, Zh. Wang, M. Moskovits, VM Shalaev, JS Suh y R. Botet, Imágenes de microscopía de efecto túnel de barrido de fotones de excitaciones ópticas de cúmulos coloidales metálicos fractales , Physical Review Letters, vol. 72, págs. 4149–4152, (1994)
  5. ↑ A. Otto, Sobre la importancia de los "puntos calientes" de Shalaev en SERS de conjunto y de molécula única por adsorbentes en películas metálicas en el umbral de percolación , J. Raman Spectroscopy, vol. 37, págs. 937–947 (2006)
  6. ↑ VM Shalaev, Propiedades electromagnéticas de compuestos de partículas pequeñas , Physics Reports, vol. 272, págs. 61–137 (1996)
  7. ↑ AK Sarychev, VM Shalaev, Fluctuaciones del campo electromagnético y no linealidades ópticas en compuestos metal-dieléctricos , Physics Reports, vol. 335, págs. 275–371 (2000)
  8. ↑ VM Shalaev, Óptica no lineal de medios aleatorios: compuestos fractales y películas metal-dieléctricas , Springer (2000)
  9. ↑ MI Stockman, VM Shalaev, M. Moskovits, R. Botet, TF George, Dispersión Raman mejorada por cúmulos fractales: teoría invariante de escala , Physical Review B, vol. 46, págs. 2821–2830 (1992)
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  11. 1 2 Este artículo incorpora material de dominio público de Henri Lezec. Metamateriales plasmónicos tridimensionales . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . Recuperado el 13 de agosto de 2011 .Dominio público 
  12. ↑ VG Veselago (1968). "La electrodinámica de sustancias con valores simultáneamente negativos de ε y μ" . Sov. Phys. Usp . 10 (4): 509–14 . Bibcode : 1968SvPhU..10..509V . doi : 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699 . Archivado del original el 15 de febrero de 2009. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
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Lecturas adicionales

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  • Shadrivov, IV; Morrison, SK; Kivshar, YS (2006). "Resonadores de anillo dividido sintonizables para metamateriales de índice negativo no lineales" ( PDF) . Optics Express . 14 (20): 9344– 9349. arXiv : physics/0608044 . Bibcode : 2006OExpr..14.9344S . doi : 10.1364/OE.14.009344 . hdl : 10440/1057 . PMID 19529318. S2CID 16175210. Archivado del original (descarga gratuita de PDF) el 27-03-2017 . Recuperado el 23-07-2011 .  
  • Shadrivov, Ilya (2008). "Metamateriales no lineales: un nuevo grado de libertad" (Artículo gratuito en línea de SPIE ) . Sala de prensa de SPIE . CiteSeerX 10.1.1.497.6901 . doi : 10.1117/2.1200811.1390 .