Se están creando metamateriales sintonizables en la Universidad Tecnológica Militar

Dr.. Rafał Kowerdziej de la Facultad de Nuevas Tecnologías y Química de la Universidad Tecnológica Militar – ganador del concurso SONATA BIS organizado por el Centro Nacional de Ciencias (NCN). El equipo interdisciplinario que se creará como parte del proyecto simulará, caracterizará y optimizará las propiedades sintonizables de las denominadas «luz rápida» (FL) y «luz lenta» (SL), que se producen en materiales de terahercios ultrarrápidos, basados ​​en sobre el efecto de la transparencia plasmónica.

PAPILLA: ¿Cómo puedes explicar de forma sencilla qué son los metamateriales de terahercios?

Dr.. Rifai Koerdzig: Metamateriales como término es ampliamente reconocido como sinónimo de materiales futuristas. Tenga en cuenta que es de la palabra griega «Meta» medio más, más allá. Por lo tanto, los metamateriales pueden describirse como materiales que tienen propiedades que superan o superan las de los materiales ordinarios o «naturales» a partir de los cuales están construidos.

Desde un punto de vista físico, podemos decir que los metamateriales electromagnéticos son estructuras compuestas microscópicas que se producen utilizando tecnologías modernas (como la electrolitografía), y no se encuentran de forma natural en la naturaleza, la mayoría de las veces son de tipo epitaxial (aunque las estructuras metastásicas dieléctricas están hechas de materiales dieléctricos con un alto índice de refracción, la mayoría de las veces silicio amorfo), que interactúa resonantemente con un campo electromagnético.

La estructura básica se construye sobre la base de las llamadas celdas primarias, en las que se distribuyen periódicamente elementos metálicos, los llamados resonadores (por ejemplo, de oro, plata o aluminio), montados sobre sustratos dieléctricos (por ejemplo, vidrio de cuarzo). Debemos enfatizar aquí que las dimensiones de las protoceldas deben ser varias veces más pequeñas que la longitud de onda que se propaga a través de la estructura.

Los metamateriales estudiados en nuestro proyecto de terahercios son materiales plasmónicos de metal dieléctrico con frecuencias de resonancia en el rango de 0,3-3 terahercios (terahercios). En el caso de estructuras metastásicas en el rango de THz, las dimensiones de las protocélulas varían desde varias decenas hasta varios cientos de micrómetros, y una metasuperficie individual puede incluso constar de varios miles de protocélulas. Los metamateriales de terahercios estarán hechos de metales preciosos (principalmente oro y plata) sobre sustratos de cuarzo. Sus parámetros físicos serán determinados y luego optimizados como resultado de una serie de simulaciones electromagnéticas.

PAPILLA: Ahora que sabemos más sobre los metamateriales de terahercios, el siguiente paso para comprender la idea del diseño es comprender el efecto de la transparencia plasmónica…

RK: Los metamateriales basados ​​en el efecto de transparencia plasmónica a menudo se construyen a partir de celdas unitarias que contienen al menos dos elementos metálicos. Intentaré explicar este fenómeno usando el ejemplo más simple. Supongamos que se colocan dos barras de metal en una celda unitaria de un metamaterial. Si modelamos correctamente las dimensiones geométricas de estas barras y la distancia entre ellas, y luego iluminamos dicha estructura con radiación de terahercios, observaremos la aparición de dos modos resonantes, el llamado modo claro y oscuro, si las barras son perpendiculares. entre sí, o dos modos de luz: si las barras son paralelas entre sí. Al mismo tiempo, el campo eléctrico de la onda electromagnética es paralelo a los ejes largos de estas cintas. Ambos modos se asignan de alguna manera a los elementos metálicos que componen el metamaterial.

¿Cuáles son estas modificaciones? Si disponemos las varillas dentro de la celda unitaria de modo que queden perpendiculares entre sí, el modo «brillante» será excitado directamente por el campo eléctrico de la onda electromagnética en la varilla, que es paralela al vector de intensidad de campo eléctrico de la onda electromagnética, que conduce a una fuerte excitación de los plasmones superficiales en el límite de una barra de metal que forma una estructura metastásica y un sustrato dieléctrico. Como resultado de la acción del campo eléctrico, la carga en la barra de metal cambia, como resultado de lo cual se convierte en un dipolo de facto. Debemos señalar que la curva de resonancia del modo brillante es profunda y estrecha, lo que significa que tiene un factor Q alto.

A diferencia del modo claro, el modo oscuro —asignado en este caso a una varilla cuyo eje longitudinal es perpendicular al vector de intensidad del campo eléctrico— no puede ser excitado por el campo eléctrico de una onda electromagnética, por lo que la curva de resonancia para este modo tiene una escala amplia, es decir, tiene un buen módulo. Como tales, estas dos tasas tienen factores de vencimiento muy diferentes. El efecto de transparencia plasmónica en metamateriales es el resultado de la interferencia (interferencia) de los modos de resonancia descritos anteriormente.

En los metamateriales basados ​​en el efecto de transparencia plasmónica, es fundamental diseñar adecuadamente la estructura metastásica, es decir, una cuidadosa selección y optimización de las dimensiones geométricas, la disposición recíproca de los elementos metálicos dentro de la celda unitaria y el modelado apropiado de la distancia entre los elementos metálicos, es decir , para que ambos modos puedan acoplarse. El efecto de la transparencia plasmónica se manifiesta por la aparición de una estrecha ventana de transparencia (es decir, un pico real en forma de alta transmisión) en un amplio espectro de absorción.

PAPILLA: El resultado del efecto de transparencia plasmónica son los llamados fotoefectos rápidos y lentos. ¿Sobre qué son?

RK: De entrada, cabe señalar que ambos efectos están relacionados con la velocidad de grupo de la onda electromagnética que se propaga en un medio dispersivo, es decir, el índice de refracción (n) depende de la frecuencia de la onda (ɷ). Por supuesto, en nuestro caso, este medio es una sustancia milagrosa.

En un material con un índice de refracción dependiente de la frecuencia, cada frecuencia se propaga a una velocidad de fase diferente, lo que modifica la naturaleza de la interferencia. Si n(ω) cambia linealmente con la frecuencia de onda ω, entonces el efecto de interferencia modulada es cambiar el pico del pulso con el tiempo, pero sin cambiar la forma del pulso.

El hecho de que el pulso se haya desplazado con el tiempo significa que se está moviendo a una velocidad diferente a la velocidad de fase. Nos referimos a esta «nueva» velocidad como velocidad de grupo. Al comparar las relaciones que describen las velocidades de fase y de grupo, podemos ver que la relación que describe las velocidades de grupo incluye adicionalmente un coeficiente que describe la dispersión dn/dω del índice de refracción.

Para obtener el efecto “light fast”, es necesario diseñar un metamaterial en el que dn/dω sea lo más grande y negativo posible. En el caso de los metamateriales basados ​​en el efecto de transparencia plasmónica, esto se logra aprovechando el fuerte cambio en el índice de refracción que ocurre cerca de la resonancia del metamaterial.

Quizás lo más significativo en investigaciones recientes sobre luz rápida es la falta de un efecto, sino más bien la comprensión de que ciertas formas de pulsos pueden propagarse en un medio altamente dispersivo con poca distorsión de pulso. Para evitar la distorsión del pulso, se debe minimizar la dispersión de alto orden, debido a la dependencia no lineal del índice de refracción de la frecuencia de la onda.

En otras palabras, se reduce al requisito de que la velocidad del grupo de ondas electromagnéticas sea negativa. A su vez, el llamado fenómeno/efecto de luz lenta se puede definir como la propagación de pulsos de luz u otros patrones de modulación de luz con una velocidad establecida relativamente baja. Para lograr esto, necesitamos modelar la estructura metastásica de tal manera que la dispersión del índice de refracción (dn/dω) sea lo más grande y positiva posible.

PAPILLA: ¿Cuál es el propósito de la investigación de su equipo?

RK: Como parte del proyecto propuesto, tenemos la intención de establecer un equipo de investigación interdisciplinario para simular, caracterizar y mejorar las propiedades ajustables de los efectos PIT, SL y FL que ocurren en los metamateriales híbridos de terahercios. Los parámetros ajustables para los metamateriales se obtendrán utilizando materiales de cristal líquido recientemente desarrollados, dióxido de vanadio (VO2) y disulfuro de molibdeno (MoS2), para construir los transductores.

La implementación de metamateriales híbridos permitirá efectos PIT, SL y FL ajustables eléctrica, térmicamente y mediante fotoexcitación, obteniendo tiempos de conmutación de hasta un picosegundo. Es importante destacar que la metodología propuesta permite ajustar las propiedades de los metamateriales antes mencionados de una manera muy rápida, de baja energía, continua y reversible (a diferencia de la mayoría de los métodos actuales, que solo permiten cambiar la resonancia entre estados de encendido y apagado).

Los metamateriales híbridos sintonizables abren posibilidades para diseñar microcircuitos activos con la capacidad de cambiar, ajustar y «ralentizar y acelerar las ondas de terahercios». Puede ser una plataforma para construir dispositivos fotónicos multifuncionales, como por ejemplo sensores bioquímicos, absorbentes, filtros e interruptores no lineales cuyas propiedades se pueden modificar de manera efectiva y, por lo tanto, no se pueden obtener con las técnicas utilizadas hasta ahora.

El resultado final de la investigación/proyecto serán superconvertidores sintonizables basados ​​en el efecto de transparencia plasmónica y la tecnología para su implementación. Además, obtendremos una respuesta a la pregunta de cuáles son los tiempos de conmutación/ajuste máximos y óptimos para los efectos PIT, SL y FL que se pueden obtener utilizando cristales líquidos, VO2 y MoS2 para la construcción de transductores.

PAPILLA: Gracias por la conversacion.

El proyecto “Metamateriales híbridos de hipervelocidad sintonizables basados ​​en el efecto de transparencia del plasma” ha recibido una financiación de 1.676.890 PLN. Como parte de la beca, el equipo de investigación del Dr. Rafał Kowerdzieja colaborará con el equipo del profesor. Roberto Caputo de la Universidad de Calabria.

PAP – Ciencia en Polonia, Magdalena Barcz

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