Metasuperficie electromagnética

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Una metasuperficie electromagnética se refiere a un tipo de material laminar artificial con características de sublongitud de onda. Las metasuperficies pueden ser estructuradas o no estructuradas con patrones escalados por sublongitud de onda. ^{[1] [2] [3]}

En la teoría electromagnética, las metasuperficies modulan el comportamiento de las ondas electromagnéticas a través de condiciones de contorno específicas en lugar de parámetros constitutivos (como el índice de refracción ) en el espacio tridimensional (3D), que se explota comúnmente en materiales naturales y metamateriales . Las metasuperficies también pueden referirse a las contrapartes bidimensionales de los metamateriales. ^{[4] [5]} También hay metasuperficies 2.5D que involucran la tercera dimensión como grado adicional de libertad para adaptar su funcionalidad. ^[6]

Las metasuperficies han sido definidas de varias maneras por los investigadores.

1, “Un enfoque alternativo que ha ganado cada vez más atención en los últimos años se ocupa de los arreglos plasmónicos unidimensionales y bidimensionales (1D y 2D) con periodicidad de sublongitud de onda, también conocidos como metasuperficies. Debido a su espesor insignificante en comparación con la longitud de onda de operación, las metasuperficies pueden considerarse (cerca de las resonancias de los constituyentes de la celda unitaria) como una interfaz de discontinuidad que impone un cambio abrupto tanto en la amplitud como en la fase de la luz incidente”. ^[7]

2, “Nuestros resultados pueden entenderse utilizando el concepto de metasuperficie, una matriz periódica de elementos dispersores cuyas dimensiones y períodos son pequeños en comparación con la longitud de onda operativa”. ^[8]

3, “Metasuperficies basadas en películas delgadas”. Una película ultradelgada altamente absorbente sobre un sustrato también puede considerarse como una metasuperficie, con propiedades que no se dan en los materiales naturales. ^[3] Siguiendo esta definición, las películas metálicas delgadas como las de las superlentes también son el tipo temprano de metasuperficies. ^[9]

La investigación de las metasuperficies electromagnéticas tiene una larga historia. A principios de 1902, Robert W. Wood descubrió que los espectros de reflexión de las rejillas metálicas de sublongitud de onda presentaban áreas oscuras. Este fenómeno inusual se denominó anomalía de Wood y condujo al descubrimiento del polaritón plasmónico de superficie (SPP), ^[10] una onda electromagnética particular excitada en superficies metálicas. Posteriormente, se introdujo otro fenómeno importante, la relación de Levi-Civita, ^[11] que establece que una película de sublongitud de onda de espesor puede dar lugar a un cambio drástico en las condiciones de contorno electromagnético.

En términos generales, las metasuperficies podrían incluir algunos conceptos tradicionales en el espectro de microondas, como superficies selectivas de frecuencia (FSS), láminas de impedancia e incluso láminas óhmicas. En el régimen de microondas, el espesor de estas metasuperficies puede ser mucho menor que la longitud de onda de operación (por ejemplo, 1/1000 de la longitud de onda) ya que la profundidad de la piel podría ser mínima para metales altamente conductores. Recientemente, se demostraron algunos fenómenos novedosos, como la absorción perfecta coherente de banda ultra ancha . Los resultados mostraron que una película de 0,3 nm de espesor podría absorber todas las ondas electromagnéticas en las frecuencias de RF, microondas y terahercios. ^{[12] [13] [14]}

En aplicaciones ópticas, un revestimiento antirreflectante también podría considerarse como una simple metasuperficie, como observó por primera vez Lord Rayleigh.

En los últimos años, se han desarrollado varias metasuperficies nuevas, incluidas las metasuperficies plasmónicas , ^{[15] [4] [7] [16] [17]} metasuperficies basadas en fases geométricas, ^{[18] [19]} metasuperficies basadas en láminas de impedancia, ^{[20] [21]} y metasuperficies simétricas de deslizamiento. ^[22]

Una de las aplicaciones más importantes de las metasuperficies es controlar un frente de onda de ondas electromagnéticas impartiendo cambios de fase de gradiente locales a las ondas entrantes, lo que conduce a una generalización de las antiguas leyes de reflexión y refracción . ^[18] De esta manera, una metasuperficie se puede utilizar como lente plana, ^{[23] [24]} lente de iluminación, ^[25] holograma planar , ^[26] generador de vórtices, ^[27] deflector de haz, axicon , etc. ^{[19] [28]}

Además de las lentes de metasuperficie de gradiente, las superlentes basadas en metasuperficie ofrecen otro grado de control del frente de onda mediante el uso de ondas evanescentes. Con plasmones de superficie en las capas metálicas ultradelgadas, podría ser posible obtener imágenes perfectas y litografía de súper resolución, lo que rompe con la suposición común de que todos los sistemas de lentes ópticas están limitados por la difracción, un fenómeno llamado límite de difracción . ^{[29] [30]}

Otra aplicación prometedora se encuentra en el campo de la tecnología furtiva . La sección transversal de radar (RCS) de un objetivo se ha reducido convencionalmente mediante material absorbente de radiación (RAM) o mediante la conformación intencionada de los objetivos de modo que la energía dispersada pueda redirigirse lejos de la fuente. Desafortunadamente, los RAM tienen una funcionalidad de banda de frecuencia estrecha, y la conformación intencionada limita el rendimiento aerodinámico del objetivo. Se han sintetizado metasuperficies que redirigen la energía dispersada lejos de la fuente utilizando la teoría de matrices ^{[31] [32] [33]} o la ley de Snell generalizada. ^{[34] [35]} Esto ha llevado a formas aerodinámicamente favorables para los objetivos con RCS reducida.

Metasurface también se puede integrar con guías de ondas ópticas para controlar ondas electromagnéticas guiadas . ^{[36] [37]} Se pueden habilitar aplicaciones para metaguías de ondas como convertidores de modos de guías de ondas integrados, ^[37] generaciones de luz estructurada, ^{[38] [39]} multiplexores versátiles, ^{[40] [41]} y redes neuronales fotónicas ^[42] .

Además, las metasuperficies también se aplican en absorbedores electromagnéticos, convertidores de polarización, polarímetros y filtros de espectro. ^[43] Recientemente también han surgido y se han informado nuevos dispositivos de bioimagen y biosensores potenciados por metasuperficies. ^{[44] [45] [46] [47]} Para muchos dispositivos de bioimagen basados ​​en la óptica, su gran tamaño y su gran peso físico han limitado su uso en entornos clínicos. ^{[48] [49]}

Existen varios métodos disponibles para simular la interacción de ondas electromagnéticas en metasuperficies y permitir su diseño, como el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD), los métodos de elementos finitos (FEM) y el análisis riguroso de ondas acopladas (RCWA).

Para las metasuperficies ópticas planas, los algoritmos basados ​​en prismas permiten la discretización espacial prismática triangular, que es óptima para las geometrías planas. El algoritmo basado en prismas tiene menos elementos que los métodos tetraédricos convencionales, lo que aporta una mayor eficiencia computacional. ^[50] Se ha publicado en línea un kit de herramientas de simulación que permite a los usuarios analizar de manera eficiente las metasuperficies con patrones de píxeles personalizados. ^[51]

La caracterización de las metasuperficies en el dominio óptico requiere métodos avanzados de obtención de imágenes, ya que las propiedades ópticas implicadas a menudo incluyen propiedades tanto de fase como de polarización . Trabajos recientes sugieren que la pticografía vectorial , un método de obtención de imágenes computacionales desarrollado recientemente, puede ser relevante. Combina el mapeo de la matriz de Jones con una resolución lateral microscópica, incluso en muestras de gran tamaño. ^[52]

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