Metamateriales para manipular la luz:a) el camuflaje natural de un cefalópodo que puede cambiar el color y la textura de la piel en respuesta a un estímulo externo y adaptarse al entorno externo, b) un ejemplo de un metadispositivo laplaciano anterior conectado y controlado por una compleja matriz de puertas programables en campo (FPGA), c) demostración esquemática de un metadispositivo de ilusión programable por luz más simple propuesto en el estudio, d) un ejemplo esquemático que muestra una ilusión creada al manipular las coordenadas de la luz. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-018-30612-5
Para permitir la refracción negativa y las ilusiones ópticas relacionadas, Los metamateriales están diseñados artificialmente con propiedades únicas que resultan de sus estructuras físicas internas, en lugar de su composición química. El concepto se atribuye a un experimento realizado por el científico soviético Victor Veselago en 1968 para demostrar que los materiales refractantes negativamente (a diferencia del índice de refracción positivo típicamente observado) para crear un índice negativo 'superlentes' podrían lograrse cuando tanto la permitividad eléctrica (ε ) y la permeabilidad magnética (µ) de un material fueron negativas. Treinta y tres años después de la propuesta conceptual, el trabajo pionero del físico John Pendry permitió el desarrollo de metamateriales como imaginó Veselago:un material compuesto con índice de refracción negativo que proporciona una resolución muy mejorada.
El nuevo paradigma de la ciencia de los materiales se denominó "metamateriales, "de la palabra griega metamorfosis para denotar un cambio de condición. Los investigadores de metamateriales buscan construir nuevos materiales a partir de objetos artificiales con propiedades más allá de lo convencional. Décadas más tarde, el trabajo continúa atrayendo un nuevo interés debido a los avances en el campo de los metamateriales, que incluyen metadispositivos que son extensiones lógicas del concepto de explotación de funcionalidades inherentes al marco metamaterial. El campo ha progresado sorprendentemente en los últimos años desde la óptica de transformación hasta la manipulación de las propiedades electromagnéticas y la inducción de la transparencia para crear capas de invisibilidad. generando una atención tremenda, mientras avanza hacia sintonizable, conmutable funcionalidades no lineales y de detección.
En la práctica, los dispositivos fotónicos tienen amplias implicaciones con potencial para satisfacer las crecientes demandas de una transferencia de información más rápida al eliminar el cuello de botella de las redes de telecomunicaciones ópticas basadas en fibra, e incluso habilitando el camuflaje militar. Las tareas se pueden realizar con no linealidades rápidas para cambiar luz con luz, y mejor control de las propiedades electromagnéticas de los metamateriales con estímulos externos como señales eléctricas. Ahora escribiendo en Informes científicos , Cheng-Wei Qiu y sus colaboradores han desarrollado un método experimental para incorporar múltiples funciones en un metadispositivo pasivo de corriente continua (CC) laplaciana utilizando iluminación de luz sin contacto físico.
Para demostrar la prueba de concepto, el equipo de científicos fabricó una red en la que los datos de medición coincidían excepcionalmente bien con las predicciones teóricas y los resultados de la simulación. El experimento fue posible gracias a una analogía entre materiales conductores de electricidad y redes de resistencias. Los investigadores buscaron diseñar, Fabricar y probar un metadispositivo utilizando la teoría de circuitos. La capacidad de manipular corrientes estables mediante el control de conductividades anisotrópicas tiene muchas aplicaciones potenciales; El enfoque del estudio fue diseñar un camuflaje programable ligero, ilusión total e ilusión parcial para permitir el camuflaje. El esquema propuesto puede abrir nuevas vías hacia el control multifísico sin contacto de funciones para todo tipo de campos laplacianos, incluidos los campos magnéticos de CC y los campos térmicos.
Como simple demostración del concepto teórico propuesto, los científicos realizaron experimentalmente un metadispositivo utilizando una red de resistencias compuesta por ocho resistencias, sintonizable a través de la iluminación de la luz, para control remoto sin contacto. Durante la verificación experimental Han et al., utilizó resistencias de película metálica comerciales en paralelo a las resistencias dependientes de la luz para lograr el rendimiento controlado ópticamente. Como referencia también fabricaron una capa DC, sin fotorresistores incorporados. La configuración experimental utilizó una fuente de alimentación de CC con una magnitud de 5 V como fuente y el voltaje se midió con un multímetro de 4,5 dígitos. Cuando se simuló la distribución de voltaje para la capa de CC de referencia, las distribuciones potenciales fuera del manto restauradas exactamente a las del espacio homogéneo, para hacer que el componente central del dispositivo sea invisible para el observador externo. Similar, el resultado medido para la capa DC de referencia fabricada demostró un excelente rendimiento de camuflaje en buen acuerdo con su simulación.
Prueba de concepto:a) una fotografía del metadispositivo programable por luz fabricado que combina materiales conductores de electricidad con una red de resistencias (las resistencias sensibles a la luz se ven insertadas), una capa de CC de referencia se ve a continuación - fabricada sin fotorresistores b) ilustración esquemática de la configuración experimental, las líneas verdes indican resistencias dependientes de la luz (RL) en paralelo a las resistencias comerciales (R) en el metadispositivo programable de luz, c) la distribución de voltaje simulada para la capa de CC de referencia, d) el voltaje medido correspondiente a (c). Las líneas equipotenciales se representan con color blanco en el panel. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-018-30612-5
Se observaron resultados similares para el rendimiento del metadispositivo controlado por luz propuesto, mostrando una excelente concordancia entre el experimento y la simulación. Por diseño, Se esperaba que el metadispositivo actuara como un dispositivo de ilusión en la luz de campo brillante (transformar una percepción real en una percepción precontrolada arbitrariamente) y volverse invisible en el campo oscuro (logrado experimentalmente usando un material opaco para cubrir el dispositivo). El metadispositivo pudo cambiar entre encubrimiento e ilusión, en un tiempo de respuesta de 0,2 segundos, basado en iluminación ligera.
Además, los autores pudieron demostrar una ilusión parcial cuando parte del metadispositivo se expuso a un campo brillante, en el que las simulaciones numéricas y los datos de medición estaban de nuevo en excelente acuerdo, demostrar la propiedad controlable y flexible del esquema propuesto. En el estudio, las simulaciones se basaron en el método de elementos finitos (FEM). Todas las resistencias eran resistencias comerciales de película metálica con una precisión del 1 por ciento con resistencias sensibles a la luz en paralelo para realizar el metadispositivo controlado por luz propuesto por la teoría del circuito. La idea se puede extender a otros campos regidos por la ecuación de Laplace, incluidos los campos magnéticos y térmicos.
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