Metamaterial

Construyendo un metamaterial para aplicaciones de microondas
La escala es de pulgadas; la subdivisión más pequeña es de 1,5875 mm.

Un metamaterial es una estructura producida artificialmente, cuya permeabilidad para los campos eléctricos y magnéticos ( permitividad  y permeabilidad ) difiere de la que es habitual en la naturaleza. Esto se logra a través de estructuras microscópicamente finas ( celdas, elementos individuales ) especialmente hechas, en su mayoría periódicas, hechas de materiales eléctricos o magnéticamente efectivos en el interior. ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ mathrm {r}}}$ ${\ Displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}}}$

Los metamateriales pueden tener una parte real negativa del complejo índice de refracción . Al pasar del vacío a un material de este tipo, las ondas se rompen más allá de la perpendicular en la dirección negativa. Las ondas se propagan dentro y fuera del material en el mismo lado de la soldadura. Los materiales comunes tienen un índice de refracción positivo. Con ellos, las ondas se desvían hacia la perpendicular cuando pasan al material respectivo, pero no más allá.

Con metamateriales cuya parte real del índice de refracción es <0, son concebibles aplicaciones que en principio no son posibles con materiales ordinarios. Pueden hacer que los objetos sean invisibles al dirigir las ondas entrantes alrededor de los objetos.

La estructura de los metamateriales, con la ayuda de la cual se diseña el índice de refracción, debe ser significativamente más pequeña que la longitud de onda de la radiación. Esto dificulta considerablemente la construcción para luz visible. La mayoría de los metamateriales implementados hasta ahora están diseñados para radiación de microondas .

definición

La definición de metamateriales todavía está en proceso de cambio:

• La definición más común limita el tamaño de la celda a (significativamente) más pequeño que un cuarto de la longitud de onda en el vacío. La disposición se comporta como un medio homogéneo. Esto significa que el contenido de la celda determina principalmente la función.
• Algunos autores también incluyen cristales fotónicos , donde el tamaño de la celda es del orden de media longitud de onda . Aquí, el tamaño de la celda determina principalmente la función.

El término metamaterial fue acuñado por John Pendry a finales de la década de 1990 .

Fundamentos físicos

La característica especial de los metamateriales es que sus constantes materiales y valores negativos pueden asumir. Desde el punto de vista de la teoría de campos , esto significa que ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ mathrm {r}}}$${\ Displaystyle \ mu _ {\ mathrm {r}}}$

• el campo de la densidad de flujo eléctrico (campo D) y el de la intensidad del campo eléctrico (campo E) también
• el campo de la densidad de flujo magnético (campo B) y el de la intensidad del campo magnético (campo H)

se dirigen cada uno opuesto el uno al otro.

No hay razones físicas fundamentales que se opongan a los diferentes signos , ya que los campos D y E, así como los campos B y H se basan en "mecanismos de formación" independientes según las ecuaciones de Maxwell en su forma independiente del material:

ley de Coulomb	${\ Displaystyle \ operatorname {div} {\ varvec {D}} = \ rho}$	Los campos D son creados por cargos
Ley de Faraday	${\ Displaystyle \ operatorname {rot} {\ varvec {E}} + {\ frac {\ partial {\ varvec {B}}} {\ partial t}} = 0}$	Los campos E surgen de cambios en el flujo magnético, es decir, H. cambiando el campo B o la geometría
Ley gaussiana para campos magnéticos	${\ Displaystyle \ operatorname {div} {\ varvec {B}} = 0}$	Los campos B están libres de fuentes; no hay monopolos magnéticos .
Ley de Ampère	${\ Displaystyle \ operatorname {rot} {\ varvec {H}} = {\ varvec {j}} _ {l} + {\ frac {\ partial {\ varvec {D}}} {\ partial t}}}$	Los campos H surgen de cambios en el campo D (conductores y corrientes de desplazamiento)

Los diferentes signos de los campos D y E en los metamateriales se producen mediante hábiles ordenaciones y procesos, que se caracterizan por el hecho de que los cambios en el flujo magnético generan un campo E que apunta en dirección opuesta al campo D.

Del mismo modo, los diferentes signos de los campos B y H se producen porque los cambios en el campo eléctrico en los metamateriales generan un flujo magnético (y por lo tanto un campo B) que apunta en la dirección opuesta al campo H.

El vector de onda , la fuerza del campo eléctrico y magnético forman un trípode zurdo en metamateriales , de ahí el nombre de material zurdo .

propiedades

En 1968, el físico soviético Wiktor Wesselago investigó teóricamente la propagación de ondas en un medio con índice de refracción negativo. Henry Cabourn Pocklington sabía desde 1905 que la velocidad de fase y la velocidad de grupo en dicho material van en contra del flujo de energía dado por el vector de Poynting . Wesselago ahora demostró que la zurda de los metamateriales conduce a la radiación de Cherenkov inversa, el efecto Doppler inverso y la ley de refracción inversa . La ley de refracción inversa conduce a un intercambio de convergencia y divergencia en el caso de superficies curvas . A diferencia de los medios normales, una lente cóncava hecha de metamaterial enfoca la radiación incidente.

Además, Ilya V. Shadrivov demostró que el cambio de haz en el efecto Goos-Hänchen con metamateriales también cambia su signo.

Los metamateriales pueden causar un efecto Casimir repulsivo (repulsivo) .

Fabricación

Hay enfoques de fabricación que utilizan resonancia ( enfoques resonantes ) y otros que no ( enfoques no resonantes ).

Enfoques resonantes

Anillo partido / rejilla de alambre

Con el enfoque de anillo dividido / rejilla de alambre (vea la figura anterior), la rejilla de alambre conduce a una permitividad negativa, ya que en los metales por debajo de la resonancia del plasmón , los electrones se comportan como un plasma ( modelo de Drude ). Un resonador , generalmente diseñado como un anillo (doble) con un espacio ( anillo dividido ), conduce a un momento dipolar magnético y una permeabilidad efectiva negativa, pero solo en un rango de frecuencia muy estrecho . Las propiedades del resonador se pueden seleccionar de tal manera que un índice de refracción negativo resulte en el rango de frecuencia deseado.

Esta disposición tiene la propiedad de que sólo se pueden conseguir bajas pérdidas con un ancho de banda reducido de resonancia. Además, las pérdidas debidas a la resistencia óhmica del metal aumentan con la frecuencia. Para la luz visible, la absorción sería tan dominante que enmascara los efectos de una parte real inusual del índice de refracción.

Esferas dieléctricas

El enfoque que utiliza esferas dieléctricas de diferentes diámetros en una rejilla de NaCl tiene la ventaja de que el rango de frecuencias ópticas también podría abrirse como una estructura no metálica. El trabajo teórico sobre este enfoque muestra, sin embargo, que sólo se esperan anchos de banda muy pequeños y, en consecuencia, se impondrían requisitos extremos a las tolerancias de la tecnología de fabricación .

Enfoques no resonantes

Una posible salida al problema del ancho de banda / atenuación, al menos en el rango de las microondas, son los conceptos no resonantes basados ​​en estructuras de línea inversa. Estas estructuras de tipo paso de banda ofrecen un gran ancho de banda y bajas pérdidas al mismo tiempo, siempre que se puedan diseñar estructuras que se comporten como resonadores en serie discreta y en paralelo . Debido a la derivación de la teoría de la línea , los primeros metamateriales de este tipo eran unidimensionales y suscitaron la controversia sobre si tiene sentido hablar de metamateriales o de teoría de filtros aplicada . Se han presentado teóricamente generalizaciones a arreglos 2D / 3D ( isotrópicos ), algunos también se han probado experimentalmente.

Posibles aplicaciones

Las lentes planas analizadas por Wesselago son potencialmente ventajosas debido a la falta de un eje óptico ; la mejora en la resolución demostrada por John Pendry ha atraído una gran atención en la física y la ingeniería eléctrica. Se caracteriza porque una fuente de luz puntual tiene una imagen puntual, i. En otras palabras , a diferencia de la lente habitual, el espectro del vector de onda evanescente de la fuente es amplificado resonantemente por la lente del metamaterial plano y luego "reconstruido" en la imagen. Esto no debe confundirse con la resolución finita en lentes convencionales debido a la pupila de entrada finita , la limitación de difracción no puede usarse como criterio de comparación, porque la lente de Pendry es infinitamente grande.

Otra aplicación del metamaterial se ve en el área de tecnología furtiva o tecnología furtiva. El metamaterial subyacente se está investigando actualmente en la Universidad de Pennsylvania. La idea detrás de la tecnología furtiva es hacer que el material interactúe con la luz, al igual que lo hacen los átomos. Esto sucede a un nivel tan pequeño que las estructuras artificiales son más pequeñas que las propias ondas de luz. Como resultado, las propiedades ópticas ya no deberían ser tan limitadas como es el caso de los materiales constitutivos. La digitalización de estos metamateriales podría usarse para reproducir la luz exactamente en el otro lado. Una ventaja de dicho metamaterial es que la luz no solo puede ser dirigida y reflejada por lupas y espejos, sino que también puede estirarse, estirarse, distorsionarse y manipularse de otras formas. Este efecto ha sido utilizado durante varios años por la empresa estadounidense HyperStealth Biotechnology Corp. investigado y probado como parte de su tecnología Quantum Stealth.

literatura

Artículo de revisión:

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• Victor Veselago, Leonid Braginsky, Valery Shklover, Christian Hafner: Materiales con índice de refracción negativo . En: Revista de nanociencia computacional y teórica . cinta 3 , no. 2 , 2006, pág. 1–30 , doi : 10.1166 / jctn.2006.002 . 

Monografías:

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• Nader Engheta, Richard W. Ziolkowski: Metamateriales electromagnéticos. Aspectos de Física e Ingeniería, Exploraciones de Física e Ingeniería . Wiley & Sons, Hoboken, Nueva Jersey 2006, ISBN 0-471-76102-8 . 
• Stefan A. Maier: Plasmónica: fundamentos y aplicaciones . Springer, Nueva York 2007, ISBN 0-387-33150-6 . 
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enlaces web

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• Niels Boeing: Magia en el material. En: Revista de tecnología 10/2009. Heise Verlag, 28 de diciembre de 2009 .; consultado el 2 de febrero de 2018 
• Matthias Gräbner: Fertilización mutua. Metamateriales como lente y apertura. En: Telepolis . 1 de diciembre de 2006, consultado el 9 de febrero de 2008 . 

Evidencia individual

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7. ↑ Cristian Della Giovampaola, Nader Engheta: Metamateriales digitales. En: Nature Materials. publicación avanzada en línea, 2014, doi: 10.1038 / nmat4082 .
8. ↑ Desarrollo de un traje de camuflaje sigiloso