Un metamaterial (o el material de la meta del ) es un material que gana sus características de su estructura algo que directo de su composición. Para distinguir metamaterials de otros materiales compuestos, la etiqueta metamaterial del se utiliza generalmente para un material que tenga características inusuales. Tales características inusuales podrían ser un índice de refracción negativo (que no se encuentra en materiales naturales). El término fue acuñado en 1999 por Rodger M. Walser de la Universidad de Texas en Austin, y él definió metamaterials como:

Compuestos macroscópicos que tienen un artificial, tridimensional, arquitectura celular periódica diseñada para producir una combinación optimizada, no disponible en naturaleza, del dos o más respuestas a la excitación específica.

Los primeros metamaterials fueron desarrollados por W. Kock en los últimos años 40 con las antenas de la metal-lente y las lentes metálicas del retardo.

Metamaterials electromágneticos

Metamaterials es de importancia particular en el electromagnetismo (especialmente la óptica y el Photonics ). Demuestran la promesa para una variedad de usos ópticos y de la microonda tales como nuevos tipos de las lentes de los filtros sintonizados de los moduladores de los steerers de la viga, de los acopladores de la microonda y de las cúpulas de la antena

Para que su estructura afecte a las ondas electromagnéticas una necesidad metamaterial tiene características estructurales por lo menos tan pequeñas como la longitud de onda de la radiación electromágnetica él obra recíprocamente con. Por ejemplo, si un metamaterial es comportarse como material homogéneo descrito exactamente por un índice de refracción eficaz, los tamaños de característica deben ser mucho más pequeños que la longitud de onda. Para la luz visible, que tiene longitudes de onda de menos de un micrómetro típicamente (560 nanómetros para la luz del sol), las estructuras son generalmente medias o menos que mitad de este tamaño; es decir, menos de 280 nanometres. Para la radiación de la microonda, las estructuras necesitan solamente estar en la orden de un decimétrico . Un ejemplo de una luz visible metamaterial es el ópalo, que se compone de esferas minúsculas de la cristobalita (silicona metaestable ). Los metamaterials de la frecuencia de la microonda son casi siempre artificiales, construido como órdenes de elementos conductores de corriente (tales como lazos del alambre) que tengan conveniente las características capacitivas inductivas de y .

Metamaterials consiste en generalmente las estructuras periódicas, y tiene así muchas semejanzas con los cristales fotónicos y las superficies selectivas de la frecuencia. Sin embargo, éstos se consideran generalmente ser distintos de metamaterials, mientras que sus características están de tamaño similar a la longitud de onda en la cual funcionan, y no se pueden aproximar así como material homogéneo.

Índice de refracción negativo

Los investigadores de la razón principal han investigado metamaterials son la posibilidad para crear una estructura con un índice de refracción negativo, puesto que esta característica no se encuentra en ningún material natural. Casi todos los materiales encontrados en la óptica, tal como vidrio o agua, tienen valores positivos para el $\backslash \; epsilon$ de la permitividad y el $\backslash \; mu$ de la permeabilidad . Sin embargo, muchos metales (tales como plata y oro ) tienen $negativo\; \backslash \; epsilon$ en las longitudes de onda visibles. Un material que tiene cualquier (pero no ambos) $\backslash \; epsilon$ o negativa del $\backslash \; mu$ es el opaco a la radiación electromágnetica (véase el plasmón superficial para más detalles).

Aunque las características ópticas de un material transparente sean especificadas completamente por el $\backslash \; epsilon$ de los parámetros y el $\backslash \; mu$, el índice de refracción $N$ es en la práctica de uso frecuente. $N$ puede ser resuelto del $N=\; \backslash \; P.\; \backslash raíz\; cuadrada\{\backslash \; épsilon\; \backslash \; MU\}$. Todos los materiales transparentes sabidos poseen los valores positivos para el $\backslash \; epsilon$ y el $\backslash \; mu$. Por la convención la raíz cuadrada positiva es utilizada para $N$.

Sin embargo, algunos metamaterials dirigidos tienen el y ; porque el $del\; producto\; \backslash \; el\; épsilon\; \backslash \; mu$ es positivos, $N$ es el verdadero. Bajo tales circunstancias, es necesario tomar la raíz cuadrada negativa para $N$. El vencedor Veselago del físico probó que tales sustancias pueden el transmiten ligero.

Metamaterials con $N$ negativo tiene características alarmantes numerosas:
la ley ($N\_1\; \backslash \; pecado\; \backslash \; theta\_1=N\_2\; \backslash \; pecado\; \backslash \; theta\_2$) de Snell todavía se aplica, pero como $N\_2$ es negativo, los rayos serán refractados en el el mismo lado de del normal en incorporar el material.
Se invierte el cambio de Doppler : es decir, una fuente de luz que se mueve hacia un observador aparece reducir su frecuencia.
La radiación de Cherenkov señala la otra manera.
El vector tiempo-hecho un promedio de Poynting es el antiparalelo a la velocidad de fase . Esto significa que desemejante de un material derecho normal, los frentes de onda se están moviendo en la dirección opuesta al flujo de energía.

Para las ondas planas que propagan en tales metamaterials, el campo eléctrico, el campo magnético y el Poynting vector (o la velocidad de grupo ) siguen una regla izquierda, así dando lugar a los materiales zurdos conocidos (de la meta). Debe ser observado que los términos zurdos y derechos pueden también presentarse en el estudio de los medios quirales, pero su uso en ese contexto está sin relación a este efecto.

El efecto de la refracción negativa es análogo a la propagación de onda en una línea de transmisión zurda, y tales estructuras se han utilizado para verificar algunos de los efectos descritos aquí.

Desarrollo y usos

Los primeros metamaterials fueron desarrollados por W. Kock en los últimos años 40 antenas de la Metal-lente, IRA Proc., 34 noviembre de 1946, págs. 828-836 y Lentes metálicas del retardo, Bell., los 27, y de enero de 1948, págs.

Las características únicas de metamaterials fueron verificadas por análisis de onda completa en el y otros (2001) de Caloz. Sin embargo, las estructuras de la LH ideadas hasta 2002 eran imprácticas para los usos de la microonda, porque tenían una anchura de banda demasiado estrecha y eran absolutamente lossy. El y otros (2002) de Eleftheriades, y el y otros (2002) de Caloz proporcionaron un método para realizar metamaterials zurdos usar líneas de transmisión cargadas amontonar-elemento artificial en tecnología de la microcinta.

El primer Superlens con un índice de refracción negativo proporcionó la resolución tres veces mejor que el límite de difracción y fue demostrado en las frecuencias microondas en la universidad de Toronto por A. Posteriormente, los primeros superlens ópticos (una lente óptica que excede el límite de difracción ) fueron creados y demostrados en 2005 por el y otros de Xiang Zhang de Uc Berkeley, según lo divulgado ese año en la aplicación del 22 de abril la ciencia del diario. Pero su lente no confió en la refracción negativa. En lugar, utilizaron una película de plata fina para realzar los modos evanescentes a través del acoplador del plasmón de la superficie. Esta idea primero fue sugerida por el Juan Pendry en las letras físicas de la revisión.

Metamaterials se ha propuesto como mecanismo para construir un que disimulaba el dispositivo . Estos mecanismos implican típicamente el rodear del objeto que se disimulará con una cáscara que afecte al paso de cercano ligero él. El Duke University y la universidad imperial Londres están investigando este uso de metamaterials y lo ha manejado actual utilizar metamaterials para disimular un objeto (en el espectro de la microonda) usar los anillos concéntricos especiales; las microondas fueron afectadas apenas por la presencia del objeto disimulado. A principios de 2007, un metamaterial con índice de refracción negativo para las longitudes de onda de la luz visible fue anunciada por un equipo común de investigadores en el laboratorio de Ames del Ministerio de Estados Unidos de Energía y en la universidad de Karlsruhe en el Alemania . El material tenía un índice de -0.

Metamaterials también se ha propuesto para diseñar las antenas ágiles.

Modelos teóricos

Los materiales (LH) zurdos primero fueron introducidos teóricamente por el vencedor Veselago en 1967. Pendry era el primer para teorizar una manera práctica de hacer un metamaterial zurdo (LHM). “Zurdo” en este contexto significa un material en el cual la “regla derecha ” no se obedezca, permitiendo que una onda electromagnética transporte energía (tener una velocidad de grupo ) en la dirección opuesta a su velocidad de fase . La idea inicial de Pendry era que los alambres metálicos alineados a lo largo de la dirección de la propagación podrían proveer de un metamaterial la permitividad negativa (ε<0). Observar sin embargo que los materiales naturales (tales como ferroelectrics ) eran sabidos ya para existir con permitividad negativa: el desafío era construir un material que también demostró la permeabilidad negativa (µ<0). En 1999, Pendry demostró que un anillo abierto (forma de “C”) con eje a lo largo de la dirección de la propagación podría proporcionar una permeabilidad negativa. En el mismo papel, él demostró que un arsenal periódico de alambres y del anillo podría dar lugar a un índice de refracción negativo. Una partícula negativa relacionada de la permeabilidad que también fue propuesta por profesor Pendry es el rodillo suizo .

La analogía es como sigue: Los materiales naturales se hacen de los átomos, que son dipolos. Estos dipolos modifican la velocidad ligera por un factor n (el índice de refracción). Las unidades del anillo y del alambre desempeñan el papel de dipolos atómicos: el alambre actúa como átomo ferroeléctrico, mientras que el anillo actúa mientras que un inductor L y la sección abierta como condensador C. El anillo en conjunto por lo tanto actúa como circuito del LC. Cuando el campo electromagnético pasa a través del anillo, se crea una corriente inducida y el campo generado es perpendicular al campo magnético de la luz. Los resultados de resonancia magnética en una permeabilidad negativa; el índice es negativo también. (La lente no es verdad plana pues la C y su Cs próximo impone una cuesta para la inducción eléctrica.

Zenithic

Metamaterial

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