Metamateriales

TAREA ACADÉMICA N° 02

Realiza un trabajo de investigación sobre Metamateriales, que tenga como mínimo 5 páginas, en el cual se incluya su definición, características físicas, usos, aplicaciones, conclusiones y bibliografía. (10 puntos).

Contesta las siguientes preguntas en base a la información adquirida:

1.- Cuales de las aplicaciones de este material, tiene relación con electromagnetismo. (2.5 ptos)

Invisibilidad electromagnética:

En general, la detección de objetos por medio de ondas electromagnéticas se produce por dos tipos de efectos: reflexión de las ondas por parte del objeto y sombra

Una manera de conseguir dicha transparencia seria recubriendo al objeto con una estructura que permita a las ondas electromagnéticas “rodear” a dicho objeto, emergiendo en el lado contrario como si hubieran atravesado un espacio vacío.

2.- Que aplicaciones tienen relación con la óptica. (2.5ptos).

Los metamateriales ópticos permiten diseñar medios ópticos con un índice de refracción efectivo a medida. Gracias a ello se pueden diseñar sistemas de procesamiento completamente ópticos que ejecuten funciones matemáticas sobre los pulsos ópticos incidentes lo que permitirá muchas aplicaciones prácticas, como el desarrollo de ordenadores analógicos completamente ópticos o nuevos sistemas de procesamiento óptico de imágenes

3.- A que se denomina un material zurdo, y que usos permite esto? (2.5 ptos) Es el comportamiento de la luz y otras ondas electromagnéticas en un medio hipotético cuyo índice de refracción fuera negativo. En alusión a la orientación de los campos eléctrico y magnético respecto de la propagación de la onda luminosa.. El índice de refracción de una sustancia es una medida de la disminución de la velocidad de la luz en la misma con relación a su valor en el aire, considerándose así una cantidad positiva. Como consecuencia, un rayo de luz se tuerce, esto es se refracta, al penetrar en el material. Este efecto es responsable de muchos fenómenos ópticos, y del funcionamiento de lentes y prismas

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FÍSICA II

4.- En que consiste la invisibilidad electromagnética, y cuál es su aplicación. (2.5 ptos). Son Materiales que cambian la forma en que se comporta la luz sobre un cuerpo físico para conseguir el efecto de invisibilidad es decir se adapta a la curvatura de las ondas de luz por completo alrededor del objeto haciéndola desviar las ondas electromagnéticas, de modo que el observador no ve el cuerpo que tiene delante, además este invento es capaz de ocultar también las sombras de ese cuerpo. Mirando al futuro, las aplicaciones que podrían tener en campos como el militar son enormes. Por ejemplo, con estas formas y estructuras podrían llegar a camuflarse perfectamente aviones o carros de combate ante radares. Otro ejemplo como el presentado aquí sería el de los soportes mecánicos para antenas que, con estas formas y recubiertos de estas estructuras, permitirían reducir interferencias.

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FÍSICA II

METAMATERIALES

Definición: No existe una definición universalmente aceptada de metamaterial; en el sentido más amplio, se trataría de un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, son distintas a las de sus constituyentes. En un sentido más estricto, hay quien considera un metamaterial a aquél que constituye una estructura periódica, cuya dimensión máxima sea menor que la longitud de onda con la que vaya a trabajar. De esta manera, la estructura diseñada podría considerarse como una "molécula", y sus propiedades ser modeladas mediante parámetros globales, permitividad, permeabilidad, índices de refracción.... exactamente igual a como se hace con las moléculas presentes en la naturaleza. Algunos amplían esta definición incluyendo en las mismas estructuras aleatorias (igual que en la naturaleza existen sólidos cristalinos, periódicos y sólidos amorfos) y también existe quien no considera la restricción del tamaño de la estructura, aceptando también como metamateriales a aquellos de dimensiones mayores que la longitud de onda (cristales fotónicos). Por el contrario, también existe quien restringe aún más esa definición, considerando como metamateriales sólo a aquellos que presentan coeficientes de refracción negativos (metamateriales "doble negativos" o "zurdos").1 Los metamateriales tienen una gran importancia en los campos de la óptica y del electromagnetismo. Muchos estudios que se llevan a cabo hoy en día van orientados al diseño de nuevos materiales capaces de tener un índice de refracción ajustable, la creación de "superlentes" que mejorarían drásticamente la calidad de las imágenes para el diagnóstico médico y otros usos METAMATERIAL EL CONCEPTO CIENTÍFICO:

Dentro de la Física se conoce a los Metamateriales, como materiales que no se encuentran como tales de forma espontánea en la Naturaleza y que presentan características o propiedades a priori antinaturales. Es tal la importancia de estos nuevos Metamateriales, que según un artículo publicado por la revista SCIENCE, el pasado 2010, se encuentran dentro de los 10 grandes descubrimientos de la primera década del siglo XXI. Este gran descubrimiento científico está suponiendo el desarrollo de nuevos dispositivos en los campos de la óptica y las telecomunicaciones, tanto a nivel micrométrico como a nivel manométrico. El concepto físico de Metamaterial fue desarrollado por Viktor Veselago. Cuarenta años antes de que se pudiera construir el primer metamaterial, Veselago concibió en su imaginación que propiedades tendría para un nuevo material al que se le alteraran de forma simultanea su permitividad eléctrica y su permeabilidad electromagnética, obteniendo como resultado teórico una capacidad de alterar el ángulo de refracción de las ondas electromagnéticas. En la práctica esto significa poder jugar con la luz y el primer paso para la búsqueda de la invisibilidad. El efecto sería algo como lo que se puede observar en la siguiente imagen:

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FÍSICA II Al poder jugar con la luz dirigiéndose a izquierdas por efecto de un metamaterial (por eso se conocen como materiales zurdos) y luego a derechas por efecto de un material con índice de refracción natural es posible dirigir la luz creando lentes o camuflajes perfectos. Si se pasa de la escala nanométrica (trabajar con luz) a escala micrométrica (trabajar con las ondas que se utilizan en telecomunicaciones como las que se emplean en nuestros móviles), se pueden construir dispositivos de pequeño tamaño y que reducen el consumo. Finalizando el siglo XX se construyó el primer metamaterial.

Consistía en la repetición periódica de dos elementos uno invertía la permeabilidad y el otro la permitividad a escala micrométrica.

Es en esta repetición de patrones periódicos, donde aparece la conexión conceptual con la obra de Emilio Pérez Piñero. Funcionalmente a escalas micrométricas lo que hace el metamaterial es seleccionar que frecuencias pueden pasar y cuáles no. Es como si estuvieran hablando muchas personas a la vez en un habitación y se pudiera seleccionar que persona se quiere escuchar y cual se puede silenciar. Actualmente, existen varias formas de construir un metamaterial pero siempre es a través de la repetición periódica de un patrón, por ejemplo en la figura siguiente se hace horadando huecos en un material dieléctrico.

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Modificando la forma y el tamaño de estos huecos se controlan las propiedades y características del metamaterial. Sin embargo los huecos tienen un límite de tamaño, pues si son muy grandes se solapan unos con otros y se pierde la forma del patrón fractal.

Uno de los coautores de esta propuesta escultórica, a través de un trabajo desarrollado para su tesis doctoral y publicado bajo el título Novel Compact Wide-Band EBG Structure Based on Tapered 1-D Koch Fractal Patterns” para la Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, solucionó este problema empleando fractales de koch como se muestran en la en esta imagen:

Obteniéndose los dispositivos reales

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FÍSICA II Características de los Metamateriales: Aunque la mayoría de las propiedades de los metamateriales; que se discutirán a continuación, aún no han sido desarrolladas en aplicaciones prácticas, es útil describirlas para ilustrar la riqueza e importancia de sus aplicaciones potenciales, que, probablemente se extienden más allá del contenido presentado en este documento. Muchos de estos fenómenos; que ocurren en asociación con los materiales LH, fueron intuidos por el científico Víctor Veselago:  Dispersión de frecuencia necesaria de los parámetros constitutivos. ı  Efecto Doppler inverso. ı  Condiciones frontera inversas, entre materiales RH y LH.  Ley de Snell inversa. ı  Refracción negativa en la interfaz entre un medio RH y un medio LH.  Transformación de una fuente puntual en una imagen puntual en un medio LH.  Intercambio de los efectos de divergencia y convergencia en lentes LH cóncavos y convexos, respectivamente. Uso de los Metamateriales: Los METAMATERIALES se usan, en la práctica, para el empleo de diversas estructuras que son periódicas y que a la vez realizan una combinación de los medios físicos como son Permisividad Eléctrica y Permeabilidad Magnética pero en este caso invirtiendo la Ley de Snell, ahora el Índice de Refracción será negativo y esta propiedad convierte su comportamiento de manera totalmente

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