16 de diciembre de 2023 (Proyector Nanowerk) Desde las primeras observaciones de la dispersión de la luz por partículas en el siglo XIX, lograr la transparencia óptica ideal ha planteado un gran desafío duradero. Los objetos sólidos naturales, como las rocas o los cristales, tienden a formar ligeros zigzags o extenderse en diferentes direcciones. Esto sucede porque estos materiales interactúan con la luz de manera diferente que el aire que los rodea, debido a su propiedad única llamada permitividad eléctrica. La permitividad eléctrica es básicamente qué tan bien un material puede "conducir" campos eléctricos, lo que incluye 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 hallazgos fueron publicados en Materiales avanzados (“Transparencia casi ideal con metaátomos diseñados artificialmente”).
Concepto de transparencia ideal. a) La transparencia y la visibilidad ocurrieron simultáneamente en una medusa en las partes de su cuerpo en el agua de mar y en el aire. b) Dispersión de Rayleigh bajo iluminación externa. c) Comportamiento sin dispersión de los metaátomos artificiales. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Los intentos anteriores de eliminar la dispersión de los objetos han tenido un éxito limitado. La aplicación de recubrimientos plasmónicos puede suprimir sólo unos pocos coeficientes de dispersión de Mie de partículas esféricas. Los estados de anápolo, mediante una cuidadosa interferencia de los modos eléctrico y magnético, pueden reducir la dispersión de algunas formas simplificadas. Sin embargo, estos enfoques fallan en geometrías generales y construcciones eléctricamente grandes. Un obstáculo fundamental es que los materiales naturales responden intrínsecamente a las polarizaciones externas de manera que estimulan la radiación secundaria y dispersan la luz. La innovación clave aquí radica en diseñar metaátomos artificiales en la escala de sublongitud de onda para que se comporten efectivamente como el vacío en todos los ángulos de iluminación. El diseño combina una disposición 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 respuestas que contrarrestan la polarización natural del cubo y lo hacen libre de dispersión. Las simulaciones de onda completa y las mediciones experimentales confirman que el metaátomo y cualquier agregación arbitraria de ellos permanecen transparentes al tiempo que conservan propiedades refractivas como doblar la luz. La construcción de objetos colocando en mosaico estos metaátomos produce una imitación macroscópica del vacío. metamateriales. Por ejemplo, los investigadores demostraron una transparencia casi ideal de un cubo de 4x4x4 y una hoja que se asemeja al ala de un avión a pesar de alterar la orientación y la polarización. Estas estructuras perfectamente invisibles abren nuevas aplicaciones potenciales, como aviones que evaden radares, paredes libres de perturbaciones para las comunicaciones y filtros o lentes ópticos. El metaátomo propuesto sirve como bloque de construcción que permite manipular la difracción y los frentes de onda sin reflejos ni sombras. Su fiable supresión de la dispersión avanza sustancialmente en intentos anteriores limitados a formas fijas o ángulos de incidencia.
La configuración estructural del metaátomo. a) El cubo dieléctrico y la estructura metálica en forma de I. b) La composición del cubo dieléctrico, la estructura I y los bloques metálicos antimagnéticos. c) Montaje final del metaátomo. La permitividad y permeabilidad efectivas del metamaterial se muestran en el panel superior. Es obvio que εef = ε0 y εef = m0 se satisfacen a ~2.0 GHz. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) La realización depende de la innovación tanto en la estrategia conceptual como en la implementación. El diseño del metaátomo requiere una neutralización integral de las respuestas de polarización en las tres dimensiones. La geometría específica de los resonadores y los bloques antimagnéticos logra esto induciendo dipolos eléctricos y magnéticos orientados de manera opuesta que se anulan mutuamente bajo una excitación externa arbitraria. La fabricación física de estos elementos por debajo de la longitud de onda plantea inmensas exigencias de precisión. La construcción aquí combina acero inoxidable, revestimiento de plata, teflón y plástico de polisulfona para aproximarse 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 en curso en la nanofabricación desbloquearán aún más todo el potencial de los metamateriales. No obstante, los resultados experimentales validan con éxito la innovadora capacidad de transparencia en el espacio libre del nuevo metaátomo. A pesar de las imperfecciones, las pilas de metaátomos fabricados superan claramente a las sustancias dieléctricas convencionales como el teflón a la hora de minimizar las firmas de dispersión. Esto confirma las simulaciones que muestran que cualquier configuración de metaátomos se comporta esencialmente electromagnéticamente de manera idéntica al vacío. El concepto demostrado se extiende a todo el espectro electromagnético y ofrece una estrategia universal para la transparencia óptica. Resonadores dieléctricos con respuestas similares a las inclusiones metálicas estudiadas podrían traducir estos hallazgos hacia luz visible y frecuencias de comunicación. Si son realizables a nanoescala, estos metamateriales podrían llegar a producir capas de invisibilidad de banda ancha. La realización actual todavía requiere una frecuencia de operación que alinee las resonancias eléctricas y magnéticas. Esta innovadora demostración de transparencia personalizable a través de metaátomos meticulosamente diseñados representa un hito importante para controlar dinámicamente 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 un enorme potencial en la industria aeroespacial, la biomedicina, la inteligencia artificial y las comunicaciones. En un nivel científico más profundo, la capacidad de contrarrestar fundamentalmente las respuestas de los materiales naturales podría transformar radicalmente la forma en que conceptualizamos la elaboración de estructuras fabricadas con interacciones personalizadas más allá de los límites normales. A medida que mejora la precisión de la nanofabricación, los metamateriales diseñados dinámicamente pueden liberar capacidades como capas de invisibilidad de banda ancha que desvían completamente el flujo de luz a voluntad. Al trascender un gran desafío duradero en óptica, esta investigación señala una nueva era en la escultura incesante de ondas electromagnéticas según el deseo de la imaginación humana.
Concepto de transparencia ideal. a) La transparencia y la visibilidad ocurrieron simultáneamente en una medusa en las partes de su cuerpo en el agua de mar y en el aire. b) Dispersión de Rayleigh bajo iluminación externa. c) Comportamiento sin dispersión de los metaátomos artificiales. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Los intentos anteriores de eliminar la dispersión de los objetos han tenido un éxito limitado. La aplicación de recubrimientos plasmónicos puede suprimir sólo unos pocos coeficientes de dispersión de Mie de partículas esféricas. Los estados de anápolo, mediante una cuidadosa interferencia de los modos eléctrico y magnético, pueden reducir la dispersión de algunas formas simplificadas. Sin embargo, estos enfoques fallan en geometrías generales y construcciones eléctricamente grandes. Un obstáculo fundamental es que los materiales naturales responden intrínsecamente a las polarizaciones externas de manera que estimulan la radiación secundaria y dispersan la luz. La innovación clave aquí radica en diseñar metaátomos artificiales en la escala de sublongitud de onda para que se comporten efectivamente como el vacío en todos los ángulos de iluminación. El diseño combina una disposición 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 respuestas que contrarrestan la polarización natural del cubo y lo hacen libre de dispersión. Las simulaciones de onda completa y las mediciones experimentales confirman que el metaátomo y cualquier agregación arbitraria de ellos permanecen transparentes al tiempo que conservan propiedades refractivas como doblar la luz. La construcción de objetos colocando en mosaico estos metaátomos produce una imitación macroscópica del vacío. metamateriales. Por ejemplo, los investigadores demostraron una transparencia casi ideal de un cubo de 4x4x4 y una hoja que se asemeja al ala de un avión a pesar de alterar la orientación y la polarización. Estas estructuras perfectamente invisibles abren nuevas aplicaciones potenciales, como aviones que evaden radares, paredes libres de perturbaciones para las comunicaciones y filtros o lentes ópticos. El metaátomo propuesto sirve como bloque de construcción que permite manipular la difracción y los frentes de onda sin reflejos ni sombras. Su fiable supresión de la dispersión avanza sustancialmente en intentos anteriores limitados a formas fijas o ángulos de incidencia.
La configuración estructural del metaátomo. a) El cubo dieléctrico y la estructura metálica en forma de I. b) La composición del cubo dieléctrico, la estructura I y los bloques metálicos antimagnéticos. c) Montaje final del metaátomo. La permitividad y permeabilidad efectivas del metamaterial se muestran en el panel superior. Es obvio que εef = ε0 y εef = m0 se satisfacen a ~2.0 GHz. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) La realización depende de la innovación tanto en la estrategia conceptual como en la implementación. El diseño del metaátomo requiere una neutralización integral de las respuestas de polarización en las tres dimensiones. La geometría específica de los resonadores y los bloques antimagnéticos logra esto induciendo dipolos eléctricos y magnéticos orientados de manera opuesta que se anulan mutuamente bajo una excitación externa arbitraria. La fabricación física de estos elementos por debajo de la longitud de onda plantea inmensas exigencias de precisión. La construcción aquí combina acero inoxidable, revestimiento de plata, teflón y plástico de polisulfona para aproximarse 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 en curso en la nanofabricación desbloquearán aún más todo el potencial de los metamateriales. No obstante, los resultados experimentales validan con éxito la innovadora capacidad de transparencia en el espacio libre del nuevo metaátomo. A pesar de las imperfecciones, las pilas de metaátomos fabricados superan claramente a las sustancias dieléctricas convencionales como el teflón a la hora de minimizar las firmas de dispersión. Esto confirma las simulaciones que muestran que cualquier configuración de metaátomos se comporta esencialmente electromagnéticamente de manera idéntica al vacío. El concepto demostrado se extiende a todo el espectro electromagnético y ofrece una estrategia universal para la transparencia óptica. Resonadores dieléctricos con respuestas similares a las inclusiones metálicas estudiadas podrían traducir estos hallazgos hacia luz visible y frecuencias de comunicación. Si son realizables a nanoescala, estos metamateriales podrían llegar a producir capas de invisibilidad de banda ancha. La realización actual todavía requiere una frecuencia de operación que alinee las resonancias eléctricas y magnéticas. Esta innovadora demostración de transparencia personalizable a través de metaátomos meticulosamente diseñados representa un hito importante para controlar dinámicamente 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 un enorme potencial en la industria aeroespacial, la biomedicina, la inteligencia artificial y las comunicaciones. En un nivel científico más profundo, la capacidad de contrarrestar fundamentalmente las respuestas de los materiales naturales podría transformar radicalmente la forma en que conceptualizamos la elaboración de estructuras fabricadas con interacciones personalizadas más allá de los límites normales. A medida que mejora la precisión de la nanofabricación, los metamateriales diseñados dinámicamente pueden liberar capacidades como capas de invisibilidad de banda ancha que desvían completamente el flujo de luz a voluntad. Al trascender un gran desafío duradero en óptica, esta investigación señala una nueva era en la escultura incesante de ondas electromagnéticas según el deseo de la imaginación humana.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de contribuyentes invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o tiene otros desarrollos interesantes para compartir con la comunidad de nanotecnología? Aquí se explica cómo publicar en nanowerk.com.
- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
- PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
- PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
- PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
- PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
- Fuente: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64272.php
