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metamaterial fotónico

Un metamaterial fotónico ( PM ), también conocido como metamaterial óptico , es un tipo de metamaterial electromagnético que interactúa con la luz, abarcando longitudes de onda ...

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Un metamaterial fotónico ( PM ), también conocido como metamaterial óptico , es un tipo de metamaterial electromagnético que interactúa con la luz, abarcando longitudes de onda de terahercios ( THz ), infrarrojos (IR) o visibles . [ 1 ] Los materiales emplean una estructura celular periódica .

La periodicidad sublongitudinal [ 2 ] distingue a los metamateriales fotónicos de las estructuras de banda prohibida fotónica o de cristal fotónico . Las celdas están en una escala de magnitudes mayores que el átomo, pero mucho menores que la longitud de onda radiada, [ 3 ] [ 4 ] son ​​del orden de nanómetros . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

En un material convencional, la respuesta a los campos eléctricos y magnéticos , y por lo tanto a la luz , está determinada por los átomos . [ 6 ] [ 7 ] En los metamateriales, las celdas asumen el papel de átomos en un material que es homogéneo a escalas mayores que las celdas, lo que da lugar a un modelo de medio efectivo . [ 3 ] [ 4 ] [ 8 ] [ 6 ] [ 9 ]

Algunos metamateriales fotónicos exhiben magnetismo a altas frecuencias, lo que resulta en un fuerte acoplamiento magnético. Esto puede producir un índice de refracción negativo en el rango óptico.

Entre las posibles aplicaciones se incluyen el camuflaje y la óptica de transformación . [ 10 ]

Los cristales fotónicos se diferencian de los PM en que el tamaño y la periodicidad de sus elementos dispersores son mayores, del orden de la longitud de onda. Además, un cristal fotónico no es homogéneo , por lo que no es posible definir valores de ε ( permitividad ) o u ( permeabilidad ). [ 11 ]

Historia

Mientras investigaba si la materia interactúa o no con el componente magnético de la luz, Victor Veselago (1967) vislumbró la posibilidad de una refracción con signo negativo, según las ecuaciones de Maxwell . Un índice de refracción con signo negativo es el resultado de una permitividad, ε < 0 (menor que cero), y una permeabilidad magnética, μ < 0 (menor que cero). [ 5 ] [ 12 ] El análisis de Veselago ha sido citado en más de 1500 artículos revisados ​​por pares y en numerosos libros. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

Una comparación de la refracción en un metamaterial zurdo con la de un material normal.

A mediados de la década de 1990, los metamateriales se consideraron por primera vez como tecnologías potenciales para aplicaciones como la obtención de imágenes a escala nanométrica y el camuflaje de objetos . Por ejemplo, en 1995, Guerra [ 17 ] fabricó una rejilla transparente con  líneas y espacios de 50 nm, y luego acopló este (lo que más tarde se denominaría) metamaterial fotónico con un objetivo de inmersión para resolver una rejilla de silicio con  líneas y espacios de 50 nm, muy por encima del límite de difracción para la  iluminación de 650 nm de longitud de onda en el aire. Y en 2002, Guerra et al. [ 18 ] publicaron su demostración del uso de nanoóptica sublongitudinal (metamateriales fotónicos) para el almacenamiento óptico de datos a densidades muy superiores al límite de difracción. En 2015, las antenas de metamateriales estaban disponibles comercialmente. [ 19 ] [ 20 ]

La primera demostración de un índice de refracción negativo en el rango óptico fue realizada por Vladimir M. Shalaev et al, [ 21 ] utilizando un par de nanobarras metálicas (a veces denominadas coloquialmente palillos de Shalaev).

Se logró permeabilidad negativa con un resonador de anillo partido (SRR) como parte de la celda sublongitudinal. El SRR logró permeabilidad negativa dentro de un rango de frecuencia estrecho. Esto se combinó con un poste conductor eléctrico posicionado simétricamente , lo que creó el primer metamaterial de índice negativo, que opera en la banda de microondas. Los experimentos y simulaciones demostraron la presencia de una banda de propagación levógira, un material levógiro. La confirmación experimental del índice de refracción negativo usando SRR ocurrió poco después, también en frecuencias de microondas. [ 5 ] [ 22 ] [ 23 ] La permeabilidad magnética en toda la parte visible del espectro usando pares de tiras se mostró en 2007. [ 24 ]

Permeabilidad negativa y permitividad negativa

Fotografía de la red de metamateriales utilizada para demostrar la refracción negativa . La disposición de resonadores de anillo partido cuadrados confiere al material una permeabilidad magnética negativa, mientras que la disposición de cables rectos le confiere una permitividad negativa.

Los materiales naturales , como los metales preciosos , pueden alcanzar ε < 0 hasta las frecuencias visibles . Sin embargo, en las frecuencias de terahercios , infrarrojo y visible, los materiales naturales presentan un componente de acoplamiento magnético o permeabilidad muy débil. En otras palabras, la susceptibilidad al componente magnético de la luz radiada puede considerarse despreciable. [ 12 ]

Los metamateriales de índice negativo se comportan de manera contraria a la interacción convencional "dextrógira" de la luz que se encuentra en los materiales ópticos convencionales. Por lo tanto, se les denomina materiales zurdos o materiales de índice negativo (NIM), entre otras nomenclaturas. [ 5 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 12 ] [ 21 ]

Solo los NIM fabricados exhiben esta capacidad. Los cristales fotónicos, al igual que muchos otros sistemas conocidos, pueden exhibir un comportamiento de propagación inusual, como la inversión de las velocidades de fase y de grupo . Sin embargo, la refracción negativa no ocurre en estos sistemas. [ 22 ] [ 25 ] [ 26 ]

Los materiales ferromagnéticos y antiferromagnéticos naturales pueden alcanzar la resonancia magnética, pero con pérdidas significativas. En materiales naturales como los imanes y las ferritas , la resonancia para la respuesta eléctrica (acoplamiento) y la respuesta magnética (acoplamiento) no se producen a la misma frecuencia.

Frecuencia óptica

Los SRR de metamateriales fotónicos han alcanzado escalas inferiores a 100 nanómetros, utilizando haz de electrones y nanolitografía . Una celda SRR a nanoescala tiene tres pequeñas varillas metálicas conectadas físicamente. Esta configuración tiene forma de U y funciona como un nanoinductor . El espacio entre los extremos de la U funciona como un nanocapacitor . Por lo tanto, es un nanoresonador LC óptico . Estas "inclusiones" crean campos eléctricos y magnéticos locales cuando se excitan externamente. Estas inclusiones suelen ser diez veces más pequeñas que la longitud de onda en el vacío de la luz c₀ a la frecuencia de resonancia. Las inclusiones se pueden evaluar utilizando una aproximación de medio efectivo. [ 5 ] [ 13 ]

Los PM presentan una respuesta magnética con magnitud útil en frecuencias ópticas. Esto incluye permeabilidad negativa, a pesar de la ausencia de materiales magnéticos. De forma análoga a los materiales ópticos ordinarios, los PM pueden tratarse como un medio efectivo caracterizado por los parámetros de medio efectivo ε(ω) y μ(ω), o de forma similar, ε eff y μ eff . [ 13 ] [ 27 ]

El índice de refracción negativo de los PM en el rango de frecuencia óptica fue demostrado experimentalmente en 2005 por Shalaev et al. (en la longitud de onda de telecomunicaciones λ = 1,5 μm) [ 21 ] y por Brueck et al. (en λ = 2 μm) casi al mismo tiempo. [ 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.

modelo de medio efectivo

Una aproximación de medio efectivo (de transmisión) describe láminas de material que, al reaccionar a una excitación externa , son "efectivamente" homogéneas, con parámetros "efectivos" correspondientes que incluyen ε y μ "efectivos" y se aplican a la lámina en su conjunto. Las inclusiones o celdas individuales pueden tener valores diferentes a los de la lámina. [ 30 ] [ 31 ] Sin embargo, hay casos en los que la aproximación de medio efectivo no se cumple [ 32 ] [ 33 ] y es necesario tener en cuenta su aplicabilidad.

Magnetismo de acoplamiento

La permeabilidad magnética negativa se logró originalmente en un medio zurdo a frecuencias de microondas mediante el uso de matrices de resonadores de anillo partido. [ 34 ] En la mayoría de los materiales naturales, la respuesta acoplada magnéticamente comienza a disminuir a frecuencias en el rango de los gigahercios , lo que implica que no se produce magnetismo significativo a frecuencias ópticas. La permeabilidad efectiva de dichos materiales es unitaria, μ eff = 1. Por lo tanto, el componente magnético de un campo electromagnético radiado prácticamente no tiene efecto sobre los materiales naturales a frecuencias ópticas. [ 35 ]

En los metamateriales, la célula actúa como un metaátomo, un dipolo magnético a mayor escala , análogo al átomo de tamaño picómetro . Para metaátomos construidos con oro , se puede lograr μ < 0 en frecuencias de telecomunicaciones , pero no en frecuencias visibles. La frecuencia visible ha sido difícil de alcanzar porque la frecuencia de plasma de los metales es la condición límite última. [ 7 ]

Diseño y fabricación

Las longitudes de onda ópticas son mucho más cortas que las de las microondas, lo que dificulta la creación de metamateriales ópticos sublongitudinales. Los metamateriales de microondas se pueden fabricar con materiales de placas de circuitos impresos , mientras que para producir metamateriales permanentes se deben emplear técnicas de litografía .

En los experimentos exitosos se utilizó una disposición periódica de cables cortos o piezas metálicas de formas variadas. En otro estudio, se conectó eléctricamente toda la losa.

Las técnicas de fabricación incluyen litografía por haz de electrones , nanoestructuración con un haz de iones focalizado y litografía de interferencia . [ 13 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

En 2014 se demostró un prototipo de metamaterial insensible a la polarización capaz de absorber energía en una banda ancha (una superoctava ) de longitudes de onda infrarrojas. El material mostró una absortividad media medida superior al 98%, que mantuvo en un amplio campo de visión de ±45° para longitudes de onda infrarrojas medias entre 1,77 y 4,81 μm. Una de sus aplicaciones es ocultar objetos a los sensores infrarrojos. El paladio proporcionó un ancho de banda mayor que la plata o el oro. Un algoritmo genético modificó aleatoriamente un patrón candidato inicial, probando y eliminando todos excepto el mejor. El proceso se repitió durante varias generaciones hasta que el diseño resultó eficaz. [ 39 ] [ 40 ]

El metamaterial está compuesto por cuatro capas sobre un sustrato de silicio. La primera capa es de paladio, recubierta de poliimida (plástico) y una pantalla de paladio en la parte superior. La pantalla presenta recortes sublongitudinales que bloquean las distintas longitudes de onda. Una capa de poliimida recubre todo el absorbedor. Puede absorber el 90 % de la radiación infrarroja hasta un ángulo de 55 grados con respecto a la pantalla. Las capas no requieren una alineación precisa. La capa de poliimida protege la pantalla y ayuda a reducir cualquier desajuste de impedancia que pudiera producirse cuando la onda pasa del aire al dispositivo. [ 40 ]

Investigación

Transmisión unidireccional

En 2015, la luz visible se unió a los NIM de microondas e infrarrojos al propagar la luz en una sola dirección. (" Los espejos, en cambio, reducen la transmisión de luz en la dirección opuesta, lo que requiere bajos niveles de luz detrás del espejo para funcionar). [ 41 ]

El material combinaba dos nanoestructuras ópticas: un bloque multicapa de láminas alternas de plata y vidrio, y rejillas metálicas. La estructura de plata y vidrio es un metamaterial "hiperbólico", que trata la luz de manera diferente según la dirección en que viajan las ondas. Cada capa tiene decenas de nanómetros de espesor, mucho más delgada que  las longitudes de onda de la luz visible (de 400 a 700 nm), lo que hace que el bloque sea opaco a la luz visible, aunque la luz que incide en ciertos ángulos puede propagarse dentro del material. [ 41 ]

La adición de rejillas de cromo con espaciamientos sublongitudinales desvió las ondas de luz roja o verde incidentes lo suficiente como para que pudieran entrar y propagarse dentro del bloque. En el lado opuesto del bloque, otro conjunto de rejillas permitía la salida de la luz, en ángulo con respecto a su dirección original. El espaciamiento de las rejillas de salida era diferente al de las rejillas de entrada, desviando la luz incidente de modo que la luz externa no pudiera entrar al bloque por ese lado. Aproximadamente 30 veces más luz atravesaba el bloque en la dirección de avance que en la de retroceso. Los bloques intermedios redujeron la necesidad de una alineación precisa de las dos rejillas entre sí. [ 41 ]

Estas estructuras tienen potencial para aplicaciones en comunicación óptica; por ejemplo, podrían integrarse en chips informáticos fotónicos que dividen o combinan señales transmitidas por ondas de luz. Otras aplicaciones potenciales incluyen la biodetección mediante partículas a nanoescala para desviar la luz a ángulos lo suficientemente pronunciados como para atravesar el material hiperbólico y salir por el otro lado. [ 41 ]

Elementos de circuito concentrados

Mediante el empleo de una combinación de nanopartículas plasmónicas y no plasmónicas , parece posible la creación de nanocircuitos con elementos de circuito concentrado en frecuencias infrarrojas y ópticas. Los elementos de circuito concentrado convencionales no están disponibles de forma convencional. [ 42 ]

Los elementos de circuito concentrados sublongitudinales demostraron ser viables en el dominio de microondas y radiofrecuencia (RF). El concepto de elementos concentrados permitió la simplificación de elementos y la modularización de circuitos. Existen técnicas de fabricación a nanoescala para lograr geometrías sublongitudinales. [ 42 ]

Diseño celular

Metales como el oro , la plata , el aluminio y el cobre conducen corrientes en frecuencias de radiofrecuencia y microondas. En frecuencias ópticas, las características de algunos metales nobles se modifican. En lugar de un flujo de corriente normal, se producen resonancias plasmónicas cuando la parte real de la permitividad compleja se vuelve negativa. Por lo tanto, el flujo de corriente principal es en realidad la densidad de corriente de desplazamiento eléctrico ∂D / ∂t, y puede denominarse "corriente óptica fluida". [ 42 ]

A escalas sublongitudinales, la impedancia de la célula depende de la forma, el tamaño , el material y la iluminación de frecuencia óptica. La orientación de la partícula con el campo eléctrico óptico también puede ayudar a determinar la impedancia. Los dieléctricos de silicio convencionales tienen un componente de permitividad real ε real > 0 en frecuencias ópticas, lo que hace que la nanopartícula actúe como una impedancia capacitiva , un nanocapacitor. Por el contrario, si el material es un metal noble como el oro o la plata, con ε real < 0, entonces adquiere características inductivas , convirtiéndose en un nanoinductor. La pérdida del material se representa como una nanorresistencia. [ 42 ] [ 43 ]

Capacidad de ajuste

El método más común para lograr un índice de refracción ajustable es la sintonización electroóptica. En este caso, el cambio en el índice de refracción es proporcional al campo eléctrico aplicado o al cuadrado del módulo del campo eléctrico. Estos son, respectivamente, los efectos Pockels y Kerr .

Una alternativa es emplear un material óptico no lineal y depender de la intensidad del campo óptico para modificar el índice de refracción o los parámetros magnéticos. [ 44 ]

Capas

El apilamiento de capas produce NIM en frecuencias ópticas. Sin embargo, la configuración superficial (no planar, volumétrica) del SRR normalmente impide el apilamiento. Aunque se puede construir una estructura SRR de una sola capa sobre una superficie dieléctrica , es relativamente difícil apilar estas estructuras volumétricas debido a los requisitos de tolerancia de alineación. [ 5 ] En 2007 se publicó una técnica de apilamiento para SRR que utiliza espaciadores dieléctricos para aplicar un procedimiento de planarización y aplanar la capa SRR. [ 45 ] Parece que se pueden fabricar tantas capas como se desee de esta manera, incluyendo cualquier número de celdas unitarias y diferentes disposiciones espaciales de las capas individuales. [ 5 ] [ 45 ] [ 46 ]

duplicación de frecuencia

En 2014, investigadores anunciaron un espejo no lineal de duplicación de frecuencia de 400 nanómetros de espesor que puede ajustarse para funcionar en frecuencias desde el infrarrojo cercano hasta el infrarrojo medio y el terahercio. El material opera con una intensidad de luz mucho menor que los métodos tradicionales. Para una intensidad de luz de entrada y un espesor de estructura dados, el metamaterial produjo una salida de intensidad aproximadamente un millón de veces mayor. Los espejos no requieren que coincidan las velocidades de fase de las ondas de entrada y salida. [ 47 ]

Puede producir una respuesta no lineal gigante para múltiples procesos ópticos no lineales , como la generación de segundo armónico, suma y diferencia de frecuencias, así como diversos procesos de mezcla de cuatro ondas. El dispositivo de demostración convirtió luz con una longitud de onda de 8000 a 4000 nanómetros. [ 47 ]

El dispositivo está compuesto por una pila de finas capas de indio , galio y arsénico o aluminio , indio y arsénico. Cien de estas capas, cada una con un espesor de entre uno y doce nanómetros, estaban revestidas en la parte superior por un patrón de nanoestructuras de oro asimétricas y cruzadas que forman pozos cuánticos acoplados y una capa de oro en la parte inferior. [ 47 ]

Entre las posibles aplicaciones se incluyen la teledetección y las aplicaciones médicas que requieren sistemas láser compactos. [ 47 ]

Otro

Las ondas superficiales de Dyakonov [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] (DSW) se relacionan con la birrefringencia asociada a los cristales fotónicos y la anisotropía de los metamateriales. [ 55 ] Otros metamateriales fotónicos en el infrarrojo cercano y en el visible se describen en trabajos. [ 12 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]

Véase también

Referencias

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