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Metamaterial

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No existe una definición universalmente aceptada de metamaterial; en el sentido más amplio, se trataría de un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, son distintas a las de sus constituyentes.[3]​ En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquel que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima sea menor que la longitud de onda con la que vaya a trabajar. De esta manera, la estructura diseñada podría considerarse como una "molécula", y sus propiedades ser modeladas mediante parámetros globales, permitividad, permeabilidad, índices de refracción.... exactamente igual a como se hace con las moléculas presentes en la naturaleza. Algunos amplían esta definición incluyendo en la misma estructuras aleatorias (igual que en la naturaleza existen sólidos cristalinos, periódicos y sólidos amorfos) y también existe quien no considera la restricción del tamaño de la estructura, aceptando también como metamateriales a aquellos de dimensiones mayores que la longitud de onda (cristales fotónicos). Por el contrario, también existe quien restringe aún más esa definición, considerando como metamateriales solo a aquellos que presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doble negativos" o "zurdos").[4]​

Configuración de matriz de metamateriales de índice negativo , que se construyó con resonadores de anillos divididos de cobre y cables montados en láminas entrelazadas de una placa de circuito de fibra de vidrio. La matriz total consta de 3 × 20 × 20 celdas unitarias con dimensiones totales de 10 mm × 100 mm × 100 mm.[1]​[2]​
Refracción en un metamaterial con refracción negativa. La flecha entrecortada ilustra como se refractaría si el mismo índice fuera positivo.

Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo.[5]​[6]​[7]​ Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un índice de refracción ajustable, la creación de "superlentes" que mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico médico y otros usos.

La investigación de metamateriales es interdisciplinaria e involucra campos tales como ingeniería eléctrica, electromagnetismo, óptica clásica, física del estado sólido, ingeniería de microondas y antenas, optoelectrónica, ciencia de los materiales, nanociencia e ingeniería de semiconductores.[6]​

Historia

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Las exploraciones de materiales artificiales para manipular ondas electromagnéticas comenzaron a finales del siglo XIX. Algunas de las primeras estructuras que pueden considerarse metamateriales fueron estudiadas por Jagadish Chandra Bose, quien en 1898 investigó sustancias con propiedades quirales. Karl Ferdinand Lindman estudió la interacción de ondas con hélices metálicas como medios quirales artificiales a principios del siglo XX.

A finales de la década de 1940, Winston E. Kock de AT&T Bell Laboratories desarrolló materiales con características similares a los metamateriales. En las décadas de 1950 y 1960, se estudiaron dieléctricoss artificiales para antenas de microondas ligeras. En las décadas de 1980 y 1990 se investigaron absorbedores de radar de microondas como aplicaciones de los medios quirales artificiales.[6]​[8]​[9]​.

Los materiales de índice negativo fueron descritos teóricamente por primera vez por Victor Veselago en 1967.[10]​ Demostró que dichos materiales podían transmitir luz. Demostró que la velocidad de fase podía hacerse antiparalela a la dirección del vector de Poynting. Esto es contrario a la propagación de ondas en materiales naturales.[11]​

En 1995, John M. Guerra fabricó una rejilla transparente de sub-longitud de onda (más tarde denominada metamaterial fotónico) con líneas y espacios de 50 nm, y la acopló a un objetivo de microscopio de inmersión en aceite estándar (la combinación más tarde denominada superlente) para resolver una rejilla en una oblea de silicio que también tenía líneas y espacios de 50 nm. Esta imagen superresuelta se consiguió con una iluminación de una longitud de onda de 650 nm en el aire.

En 2000, John Pendry fue el primero en identificar una forma práctica de fabricar un metamaterial zurdo, un material en el que no se sigue la regla de la mano derecha.[10]​ Un material de este tipo permite que una onda electromagnética transmita energía (tenga una velocidad de grupo) en contra de su velocidad de fase. La idea de Pendry era que los hilos metálicos alineados a lo largo de la dirección de una onda podían proporcionar permitividad negativa ( función dieléctrica ε < 0). Los materiales naturales (como la ferroeléctricos) presentan una permitividad negativa; el reto era conseguir una permeabilidad negativa (µ < 0). En 1999 Pendry demostró que un anillo partido (en forma de C) con su eje situado a lo largo de la dirección de propagación de la onda podía conseguirlo. En el mismo artículo, demostró que una matriz periódica de alambres y anillos podía dar lugar a un índice de refracción negativo. Pendry también propuso un diseño relacionado de permeabilidad negativa, el Swiss roll.

En 2000, David R. Smith et al. informaron de la demostración experimental de metamateriales electromagnéticos funcionales mediante el apilamiento horizontal, periódicamente, de resonador de anillo partidos y estructuras de alambre delgado. En 2002 se proporcionó un método para realizar metamateriales de índice negativo utilizando líneas de transmisión artificiales cargadas con elementos parciales en tecnología microstrip. En 2003, el índice de refracción negativo complejo (tanto la parte real como la imaginaria)[12]​ y la obtención de imágenes mediante lentes planas[13]​ utilizando metamateriales zurdos. En 2007, muchos grupos habían llevado a cabo experimentos con índice de refracción negativo.[5]​ En 2006, en frecuencias de microondas, se creó el primer Dispositivo de invisibilidad imperfecto.[14]​[15]​[16]​[17]​[18]​

Metamateriales electromagnéticos

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Vídeo que representa la refracción negativa de la luz en una interfaz plana uniforme.

Los metamateriales son de particular importancia en el electromagnetismo (especialmente en la óptica y la fotónica). Ellos presentan un considerable potencial para una gran variedad de aplicaciones ópticas y de microondas tales como nuevos tipos sistemas moduladores, banda de filtros de transición, lentes, acopladores de microondas, y antenas aleatorias.[6]​

Con el fin de que sus propiedades funcionen en frecuencias del orden de las ondas electromagnéticas, los componentes estructurales de un metamaterial deberían ser, en principio, más pequeños que la longitud de onda de la radiación electromagnética con la que interactúa. Así, podríamos aproximar su comportamiento en esas frecuencias al de un material homogéneo, descrito con precisión por un índice de refracción eficaz. Para la luz visible, que tiene longitudes de onda inferiores a un micrómetro (560 nanómetros para la luz solar), las estructuras deberían ser del orden de la mitad o menos de la mitad de este tamaño, es decir, menos de 280 nanómetros. En frecuencias de microondas, las estructuras solo deben ser del orden de un decímetro.

Los metamateriales por lo general consisten en estructuras periódicas, y, por tanto, tienen muchas similitudes con los cristales fotónicos; de hecho, muchos autores incluyen estos últimos dentro de la categoría de metamateriales. Sin embargo, los cristales fotónicos constan de estructuras de tamaño superior a la longitud de onda en la que funcionan, y, por tanto, su comportamiento no puede aproximarse al de un material homogéneo efectivo.

En el caso de las radiaciones de microondas, las características son del orden de milímetros. Los metamateriales de frecuencias de microondas suelen construirse como conjuntos de elementos conductores de la electricidad (como bucles de alambre) con características inductoras y capacitivas adecuadas. Muchos metamateriales de microondas utilizan resonador de anillo partidos.[7]​

Los metamateriales fotónicos están estructurados a escala nanométrica y manipulan la luz a frecuencias ópticas. Los cristales fotónicos y las superficies selectivas en frecuencia como las rejillas de difraccións, los espejos dieléctricos y los recubrimientos ópticos presentan similitudes con los metamateriales estructurados en sub-longitud de onda. Sin embargo, suelen considerarse distintos de los metamateriales, ya que su función surge de la difracción o la interferencia y, por tanto, no pueden aproximarse como un material homogéneo.[cita requerida] Sin embargo, estructuras materiales como los cristales fotónicos son eficaces en el espectro de luz visible. La mitad del espectro visible tiene una longitud de onda de aproximadamente 560 nm (para la luz solar). Las estructuras de cristal fotónico suelen tener la mitad de este tamaño o menos, es decir, < 280 nm.

Los metamateriales plasmónicos utilizan plasmones de superficie, que son paquetes de carga eléctrica que oscilan colectivamente en las superficies de los metales a frecuencias ópticas.

Las superficies selectivas en frecuencia (FSS) pueden presentar características de sub-longitud de onda y se conocen como conductor magnético artificial (AMC) o superficies de alta impedancia (HIS). Las FSS presentan características inductivas y capacitivas que están directamente relacionadas con su estructura de sub-longitud de onda.[19]​

Los metamateriales electromagnéticos pueden dividirse en diferentes clases, a saber:[5]​[10]​[6]​[20]​

Metamateriales "zurdos" o doble negativos

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La existencia de metamateriales "zurdos" (LHM) o "doble negativos" (DNG) fue formulada teóricamente por primera vez por el científico soviético Victor Veselago, en 1968.[11]​ J. B. Pendry fue el primero en teorizar una forma práctica de implementar tal metamaterial. "Zurdo" en este contexto significa un material en el que la "regla de la mano derecha" no es obedecida, lo que permite que una onda electromagnética transmita energía (con una velocidad de grupo) en la dirección opuesta a su velocidad de fase. La idea inicial de J. B. Pendry, era que una distribución de cables metálicos alineados a lo largo de la dirección de propagación de la onda dan lugar a una permitividad efectiva negativa (ε <0). Sin embargo, existen materiales naturales (como Ferroeléctricos) con permitividad negativa: el reto era construir un material que tuviera al mismo tiempo una permeabilidad negativa (μ <0). En 1999, Pendry demostró que un anillo (en «C») con el eje a lo largo de la dirección de propagación podría proporcionar esa permeabilidad negativa.[21]​ De esa manera, una distribución periódica de esos cables y anillos podía dar lugar a un índice de refracción efectivo negativo.

La analogía es la siguiente: Los materiales naturales están hechos de átomos, que se polarizan en presencia de campos electromagnéticos. Los dipolos así formados pueden modificar la velocidad de la luz por un factor "n" (el índice de refracción). El anillo de alambre y los cables desempeñan el papel de dipolos atómicos: el cable actúa como un átomo ferroeléctrico, mientras que el anillo actúa como un inductor "L" y la sección abierta como un condensador "C". El anillo en su conjunto, por lo tanto, actúa como un circuito "LC". Cuando el campo electromagnético pasa por el anillo, se genera una corriente inducida, que da lugar a un campo perpendicular al incidente. A la frecuencia de resonancia del anillo, el resultado equivale a una permeabilidad negativa, y así el índice de refracción es también negativo.

Véase también

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Referencias

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  1. ↑ Shelby, R. A.; Smith D.R.; Shultz S.; Nemat-Nasser S.C. (2001). «Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial». Applied Physics Letters 78 (4): 489. Bibcode:2001ApPhL..78..489S. doi:10.1063/1.1343489. Archivado desde el original el 18 de junio de 2010. 
  2. ↑ Smith, D. R.; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S (2000). «Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity». Physical Review Letters 84 (18): 4184-87. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. PMID 10990641. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. 
  3. ↑ R. S. Kshetrimayum (2004). «"A brief intro to metamaterials». IEEE Potentials 23 (5): 44-46. S2CID 36925376. doi:10.1109/MP.2005.1368916. 
  4. ↑ G. V. Eleftheriades, K. G. Balmain (2005). Negative Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Applications (en inglés). Wiley-IEEE Press. ISBN 0-471-60146-2. 
  5. ↑ a b c Engheta, Nader; Richard W. Ziolkowski (June 2006). Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons. pp. xv, 3-30, 37, 143-50, 215-34, 240-56. ISBN 978-0-471-76102-0. 
  6. ↑ a b c d e Zouhdi, Saïd; Ari Sihvola; Alexey P. Vinogradov (December 2008). Metamaterials and Plasmonics: Fundamentals, Modelling, Applications. New York: Springer-Verlag. pp. 3-10, Chap. 3, 106. ISBN 978-1-4020-9406-4. 
  7. ↑ a b Smith, David R. (10 de junio de 2006). «What are Electromagnetic Metamaterials?». Novel Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Smith. Archivado desde el original el 20 de julio de 2009. Consultado el 19 de agosto de 2009. 
  8. ↑ Zharov, Alexander A.; Zharova, Nina A.; Noskov, Roman E.; Shadrivov, Ilya V.; Kivshar, Yuri S. (2005). «Metamateriales birrefringentes zurdos y lentes perfectas para campos vectoriales». New Journal of Physics 7 (1): 220. Bibcode:2005NJPh....7..220Z. arXiv:physics/0412128. 
  9. ↑ 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,
  10. ↑ a b c Slyusar, V.I. (October 6-9, 2009). «Metamateriales en soluciones de antenas». Lviv, Ukraine. pp. 19-24. 
  11. ↑ a b Veselago, V. G. (1968). «The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of [permittivity] and [permeability]». Soviet Physics Uspekhi 10 (4): 509-514. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699. 
  12. ↑ AIP News, Número 628 #1, 13 de marzo Physics Today, mayo de 2003, Conferencia de prensa en la reunión de marzo de la APS, Austin, Texas, 4 de marzo de 2003, New Scientist, vol 177, p. 24.
  13. ↑ Parimi, P. V.; Lu, W. T.; Vodo, P; Sridhar, S (2003). «Cristales fotónicos: Imaging by flat lens using negative refraction». Nature 426 (6965): 404. Bibcode:2003Natur.426..404P. PMID 14647372. S2CID 4411307. 
  14. ↑ Kock, W. E. (1946). «Antenas de lente metálica». IRE Proc. 34 (11): 828-36. S2CID 51658054. 
  15. ↑ Kock, W.E. (1948). «Lentes de retardo metálicas». Bell Syst. Tech. J. 27: 58-82. 
  16. ↑ Caloz, C.; Chang, C.-C.; Itoh, T. (2001). «Verificación en onda completa de las propiedades fundamentales de los materiales zurdos en configuraciones de guía de ondas». J. Appl. Phys. 90 (11): 11. Bibcode:5483C 2001JAP....90. 5483C. Archivado desde el original el 16 de septiembre de 2021. Consultado el 6 de octubre de 2023. 
  17. ↑ Eleftheriades, G.V.; Iyer A.K.; Kremer, P.C. (2002). «Medios planares de índice de refracción negativo utilizando líneas de transmisión cargadas periódicamente con L-C». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 50 (12): 2702-12. Bibcode:2002ITMTT..50.2702E. 
  18. ↑ Caloz, C.; Itoh, T. (2002). «Applicación de la teoría de líneas de transmisión de materiales zurdos (LH) a la realización de una "línea LH" microstrip». Simposio Internacional de la Sociedad de Antenas y Propagación del IEEE (IEEE Cat. No.02 CH37313) 2. p. 412. ISBN 978-0-7803-7330-3. S2CID 108405740. 
  19. ↑ Sievenpiper, Dan et al. (Noviembre 1999). «Superficies electromagnéticas de alta impedancia con una banda de frecuencia prohibida». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47 (11): 2059-74. Bibcode:1999ITMTT..47.2059S. Archivado desde el original el 19 de julio de 2011. Consultado el 11 de noviembre de 2009. 
  20. ↑ Pendry, John B.; David R. Smith (June 2004). «Reversing Light: Negative Refraction». Physics Today 57 (June 37): 2 of 9 (originally page 38 of pp. 37-45). Bibcode:2004PhT....57f..37P. doi:10.1063/1.1784272. Consultado el 27 de septiembre de 2009. 
  21. ↑ Pendry, J. B. (1999). «Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47 (11): 2075-2084. doi:10.1109/22.798002. 

Enlaces externos

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