Metamaterial
No existix una definició universalment acceptada de metamaterial; en el sentit més ampli, es tractaria d'un material artificial que presenta propietats electromagnètiques inusuals, propietats que procedixen de l'estructura dissenyada i no de la seua composició, és dir, són distintes a les dels seus constituents.[3] En un sentit més estricte, hi ha qui considera un metamaterial a aquell que constituïx una estructura periòdica, la dimensió màxima de la qual siga menor que la llongitut d'ona en la que vaja a treballar. D'esta manera, l'estructura dissenyada podria considerar-se com una "molècula", i les seues propietats ser modelades per mig de paràmetros globals, permitividad, permeabilidad, índexs de refracció.... exactament igual a com es fa en les molècules presents en la naturalea. Alguns amplien esta definició incloent en la mateixa estructures aleatòries (igual que en la naturalea existixen sòlits cristalins, periòdics i sòlits amorfos) i també existix qui no considera la restricció del tamany de l'estructura, acceptant també com metamateriales a aquells de dimensions majors que la llongitut d'ona (cristals fotònics). Pel contrari, també existix qui restringix encara més eixa definició, considerant com metamateriales sol a aquells que presenten coeficients de refracció negatius (metamateriales "doble negatius" o "esquerrers").[4]
Els metamateriales tenen una gran importància en els camps de l'òptica i del electromagnetisme.[5] Molts estudis que es porten a terme hui en dia van orientats al disseny de nous materials capaços de tindre un índex de refracció ajustable, la creació de "superlentes" que millorarien dràsticament la calitat de les imàgens per al diagnòstic mèdic i atres usos.
L'investigació de metamateriales és interdisciplinària i involucra camps tals com ingenieria elèctrica, electromagnetisme, òptica clàssica, física de l'estat sòlit, ingenieria de microones i antenes, optoelectrònica, ciència dels materials, nanociencia i ingenieria de semiconductors.
Història
[editar | editar còdic]Les exploracions de materials artificials per a manipular ones electromagnètiques varen començar a finals de el XIX. Algunes de les primeres estructures que poden considerar-se metamateriales varen ser estudiades per Jagadish Chandra Bose, qui en 1898 va investigar substàncies en propietats quirales. Karl Ferdinand Lindman va estudiar l'interacció d'ones en hèlices metàliques com mijos quirales artificials a principis de el XX.
A finals de la década de 1940, Winston E. Kock d'AT&T Bell Laboratories va desenrollar materials en característiques similars als metamateriales. En les décades de 1950 i 1960, es varen estudiar dielèctricss artificials para antenes de microones llaugeres. En les décades de 1980 i 1990 es varen investigar absorbidors de radar de microones com a aplicacions dels mijos quirales artificials..[6][7]
Els materials d'índex negatiu varen ser descrits teòricament per primera volta per Victor Veselago en 1967.[8] Va demostrar que dits materials podien transmetre llum. Va demostrar que la velocitat de fase podia fer-se antiparalela a la direcció del vector de Poynting. Açò és contrari a la propagació d'ones en materials naturals.
En 1995, John M. Guerra va fabricar una reixeta transparent de sublongitud d'ona (més tart denominada metamaterial fotònic) en llínees i espais de 50 nm, i la va acoplar a un objectiu de microscopi d'immersió en oli estàndar (la combinació més tart denominada superlente) per a resoldre una reixeta en una oblea de silici que també tenia llínees i espais de 50 nm. Esta image superresuelta es va conseguir en un allumenament d'una llongitut d'ona de 650 nm en l'aire.
En 2000, John Pendry va ser el primer en identificar una forma pràctica de fabricar un metamaterial esquerrer, un material en el que no se seguix la regla de la mà dreta.[8] Un material d'este tipo permet que una ona electromagnètica transmeta energia (tinga una velocitat de grup) en contra de la seua velocitat de fase. L'idea de Pendry era que els fils metàlics alineats a lo llarc de la direcció d'una ona podien proporcionar permitividad negativa ( funció dielèctrica ε < 0). Els materials naturals (com la ferroeléctricos) presenten una permitividad negativa; el repte era conseguir una permeabilidad negativa (µ < 0). En 1999 Pendry va demostrar que un anell partit (en forma de C) en el seu eix situat a lo llarc de la direcció de propagació de l'ona podia conseguir-ho. En el mateix artícul, va demostrar que una matriu periòdica d'arams i anells podia donar lloc a un índex de refracció negatiu. Pendry també va propondre un disseny relacionat de permeabilidad negativa, el Swiss roll.
En 2000, David R. Smith et al. varen informar de la demostració experimental de metamateriales electromagnètics funcionals per mig del apilamiento horisontal, periòdicament, de ressonador d'anell partits i estructures d'aram prim. En 2002 es va proporcionar un método per a realisar metamateriales d'índex negatiu utilisant llínees de transmissió artificials carregades en elements parcials en tecnologia microstrip. En 2003, l'índex de refracció negatiu complex (tant la part real com l'imaginària)[9] i l'obtenció d'imàgens per mig de lents planes[10] utilisant metamateriales esquerrers. En 2007, molts grups havien portat a terme experiments en índex de refracció negatiu. En 2006, en freqüències de microones, es va crear el primer Dispositiu d'invisibilitat imperfecte.[11][12][13][14][15]
Metamateriales electromagnètics
[editar | editar còdic]Archiu:Negative refraction.ogv
Els metamateriales són de particular importància en l'electromagnetisme (especialment en l'òptica i la fotònica). Ells presenten un considerable potencial per a una gran varietat d'aplicacions òpticas i de microones tals com a nous tipos sistemes moduladors, banda de filtres de transició, lents, acopladors de microones, i antenes aleatòries.
En la finalitat de que les seues propietats funcionen en freqüències de l'orde de les ones electromagnètiques, els components estructurals d'un metamaterial deurien ser, en principi, més menuts que la llongitut d'ona de la radiació electromagnètica en la que interactua. Aixina, podríem aproximar el seu comportament en eixes freqüències al d'un material homogéneu, descrit en precisió per un índex de refracció eficaç. Per a la llum visible, que té llongituts d'ona inferiors a un micrómetro (560 nanómetros per a la llum solar), les estructures deurien ser de l'orde de la mitat o menys de la mitat d'este tamany, és dir, menys de 280 nanómetros. En freqüències de microones, les estructures solament deuen ser de l'orde d'un decímetro.
Els metamateriales per lo general consistixen en estructures periòdiques, i, per tant, tenen moltes similituts en els cristals fotònics; de fet, molts autors inclouen estos últims dins de la categoria de metamateriales. No obstant, els cristals fotònics consten d'estructures de tamany superior a la llongitut d'ona en la que funcionen, i, per tant, el seu comportament no pot aproximar-se al d'un material homogéneu efectiu.
En el cas de les radiacions de microones, les característiques són de l'orde de milímetros. Els metamateriales de freqüències de microones solen construir-se com a conjunts d'elements conductors de l'electricitat (com a bucles d'aram) en característiques inductoras i capacitivas adequades. Molts metamateriales de microones utilisen ressonador d'anell partits.[5]
Els metamateriales fotònics estan estructurats a escala nanométrica i manipulen la llum a freqüències òptiques. Els cristals fotònics i les superfícies selectives en freqüència com les reixetes de difracciós, els espills dielèctrics i els recobriment òptics presenten similituts en els metamateriales estructurats en sublongitud d'ona. No obstant, solen considerar-se distints dels metamateriales, ya que la seua funció sorgix de la difracció o l'interferència i, per tant, no poden aproximar-se com un material homogéneu.cita requerida No obstant, estructures materials com els cristals fotònics són eficaços en l'espectre de llum visible. La mitat de l'espectre visible té una llongitut d'ona d'aproximadament 560 nm (per a la llum solar). Les estructures de cristal fotònic solen tindre la mitat d'este tamany o menys, és dir, < 280 nm.
Els metamateriales plasmónicos utilisen plasmones de superfície, que són paquets de càrrega elèctrica que oscilen colectivament en les superfícies dels metals a freqüències òptiques.
Les superfícies selectives en freqüència (FSS) poden presentar característiques de sublongitud d'ona i es coneixen com conductor magnètic artificial (AMC) o superfícies d'alta impedència (HIS). Les FSS presenten característiques inductivas i capacitivas que estan directament relacionades en la seua estructura de sublongitud d'ona.[16]
Els metamateriales electromagnètics poden dividir-se en diferents classes, a saber:[8]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Shelby, R. A. (2001). “Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial”. Applied Physics Letters 78 (4). doi:. Bibcode: 2001ApPhL..78..489S.
- ↑ “Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity” (2000). Physical Review Letters 84 (18): 4184–87. doi:. PMID 10990641. Bibcode: 2000PhRvL..84.4184S.
- ↑ R. S. Kshetrimayum (2004). “"A brief intro to metamaterials”. IEEE Potentials 23 (5): 44–46. doi:.
- ↑ G. V. Eleftheriades, K. G. Balmain (2005). Negative Refraction Metamaterials: Fonamental Principles and Applications (en anglés), Wiley-IEEE Press. ISBN 0-471-60146-2.
- ↑ 5,0 5,1 Smith, David R. (2006-06-10). «What llaure Electromagnetic Metamaterials?». Novell Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Smith.
- ↑ “Metamateriales birrefringentes esquerrers i lents perfectes per a camps vectorials” . New Journal of Physics 7 (1). Bibcode: 2005NJPh....7..220Z.
- ↑ Bowers J. A.; Hyde R. A. et al. "Evanescent electromagnetic wave conversion lenses I, II, III" US Patent and Trademark Office, Grant US-9081202-B2, 14 juli 2015,
- ↑ 8,0 8,1 8,2 Slyusar, V.I.. Metamateriales en solucions d'antenes, pp. 19-24.
- ↑ AIP News, número 628 #1, 13 de març Physics Today, maig de 2003, Conferència de prensa en la reunió de març de la APS, Austin, Texas, 4 de març de 2003, New Scientist, vol 177, p. 24.
- ↑ “Cristals fotònics: Imaging by flat lens using negative refraction” (2003). Nature 426 (6965): 404. PMID 14647372. Bibcode: 2003Natur.426..404P.
- ↑ Kock, W. E. (1946). “Antenes de lent metàlica”. IRE Proc. 34 (11): 828-36.
- ↑ Kock, W.E. (1948). “Lents de retardo metàliques”. Bell Syst. Tech. J. 27: 58-82.
- ↑ “Verificació en ona completa de les propietats fonamentals dels materials esquerrers en configuracions de guia d'ones” (2001). J. Appl. Phys. 90 (11). Bibcode: 5483C 2001JAP....90. 5483C.
- ↑ “Mijos planars d'índex de refracció negatiu utilisant llínees de transmissió carregades periòdicament en L-C” (2002). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 50 (12): 2702-12. Bibcode: 2002ITMTT..50.2702E.
- ↑ (2002) «Applicación de la teoria de llínees de transmissió de materials esquerrers (LH) a la realisació d'una "llínea LH" microstrip», Simpòsium Internacional de la Societat d'Antenes i Propagació de el IEEE (IEEE Cat. No.02 CH37313) (vol. 2), p. 412. ISBN 978-0-7803-7330-3.
- ↑ “Superfícies electromagnètiques d'alta impedència en una banda de freqüència prohibida” . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47 (11): 2059-74. Bibcode: 1999ITMTT..47.2059S.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Metamaterial» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.