[ad_1]
(Foco Nanowerk) Desde las primeras observaciones de la dispersión de la luz por partículas en el siglo XIX, lograr una transparencia óptica ideal ha sido un gran desafío constante. Los objetos sólidos naturales, como piedras o cristales, tienden a formar luz en zigzag o extenderse en diferentes direcciones. Esto se debe a que estos materiales interactúan con la luz de manera diferente que con el aire que los rodea debido a su propiedad única llamada permitividad eléctrica. La permitividad eléctrica básicamente indica qué tan bien un material puede «conducir» campos eléctricos, que incluyen la luz.
Ahora los investigadores han informado sobre un innovador diseño de metaátomo que exhibe una transparencia óptica casi ideal al neutralizar completamente su polarización y magnetización internas. Los resultados fueron publicados en Materiales avanzados (“Transparencia casi ideal con metaátomos diseñados artificialmente”).
Los intentos anteriores de eliminar la dispersión de objetos han tenido un éxito limitado. Sólo unos pocos coeficientes de dispersión de Mie de partículas esféricas pueden suprimirse mediante la aplicación de recubrimientos plasmónicos. Los estados anapolares pueden reducir la dispersión de algunas formas simplificadas mediante una cuidadosa interferencia de los modos eléctrico y magnético. Sin embargo, estos enfoques fallan en geometrías generales y construcciones eléctricamente grandes. Un obstáculo fundamental es que los materiales naturales responden inherentemente a las polarizaciones externas de una manera que excita la radiación secundaria y dispersa la luz.
La innovación clave aquí radica en el desarrollo de metaátomos artificiales en la escala de sublongitudes de onda que efectivamente se comportan como un vacío en todos los ángulos de iluminación. El diseño combina una matriz tridimensional isotrópica de resonadores metálicos en forma de I insertados en un cubo dieléctrico con bloques adicionales para neutralizar la magnetización. Juntos, estos elementos internos personalizados inducen reacciones que contrarrestan la polarización natural del cubo y lo dejan libre de dispersión.
Las simulaciones de onda completa y las mediciones experimentales confirman que el metaátomo y cualquier agregación del mismo permanecen transparentes al tiempo que conservan propiedades refractivas como la difracción de la luz. La construcción de objetos colocando estos metaátomos en mosaico crea metamateriales macroscópicos que imitan el vacío. Por ejemplo, los investigadores demostraron una transparencia casi ideal de un cubo de 4x4x4 y una placa que se asemeja al ala de un avión, a pesar de los cambios de orientación y polarización.
Estas estructuras completamente invisibles abren nuevas aplicaciones potenciales, como aviones que evaden radares, paredes libres de interferencias para comunicaciones y filtros o lentes ópticos. El metaátomo propuesto sirve como bloque de construcción para manipular la difracción y los frentes de onda sin reflejos ni sombras. Su fiable supresión de dispersión supera significativamente los intentos anteriores que se limitaban a formas o ángulos de incidencia fijos.
La implementación se basa en la innovación tanto en la estrategia conceptual como en la implementación. El diseño del metaátomo requiere una neutralización integral de las reacciones de polarización en las tres dimensiones. La geometría específica de los resonadores y bloques antimagnéticos logra esto induciendo dipolos eléctricos y magnéticos orientados opuestamente que se anulan entre sí ante una excitación externa arbitraria.
La fabricación física de estos elementos de sublongitud de onda presenta enormes requisitos de precisión. El diseño aquí combina acero inoxidable, revestimiento de plata, teflón y plástico de polisulfona para aproximarse mucho a la estructura prevista dentro de las limitaciones de fabricación. El metamaterial resultante exhibe una transparencia ligeramente degradada pero aún excepcional en comparación con las simulaciones. Las mejoras continuas en la nanofabricación desbloquearán aún más todo el potencial de los metamateriales.
Sin embargo, los resultados experimentales confirman con éxito la innovadora capacidad del nuevo metaátomo para ser transparente en el espacio libre. A pesar de las imperfecciones, las pilas de metaátomos fabricados superan significativamente a las sustancias dieléctricas tradicionales como el teflón a la hora de minimizar las firmas de dispersión. Esto confirma las simulaciones que muestran que cada configuración de metaátomos se comporta electromagnéticamente de manera esencialmente idéntica al vacío.
El concepto demostrado abarca todo el espectro electromagnético y proporciona una estrategia universal para la transparencia óptica. Resonadores dieléctricos con respuestas similares a las inclusiones metálicas estudiadas podrían extender estos resultados a la luz visible y a las frecuencias de comunicación. Si estos metamateriales son viables a nanoescala, eventualmente podrían producir capas de invisibilidad de banda ancha. La implementación actual aún requiere una frecuencia de operación que ajuste las resonancias eléctricas y magnéticas.
Esta innovadora demostración de transparencia sintonizable a través de metaátomos cuidadosamente diseñados representa un hito importante en el control dinámico de la propagación de la luz. Las técnicas abren posibilidades para dispositivos ópticos novedosos como lentes perfectas, sistemas de imágenes sin distorsiones y barreras supresoras de dispersión con gran potencial en el sector aeroespacial. , biomedicina, IA y comunicación.
A un nivel científico más profundo, la capacidad de contrarrestar fundamentalmente las reacciones de los materiales naturales podría cambiar radicalmente la forma en que diseñamos estructuras fabricadas con interacciones personalizadas más allá de los límites normales. A medida que la nanofabricación se vuelve más precisa, los metamateriales diseñados dinámicamente pueden desbloquear capacidades como capas de invisibilidad de banda ancha que redirigen completamente el flujo de luz a voluntad. Al superar un gran desafío duradero en óptica, esta investigación marca el comienzo de una nueva era en la incansable formación de ondas electromagnéticas de acuerdo con los deseos de la imaginación humana.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]