Una ilustración de cómo los metales, dieléctricos y los dieléctricos eficaces responden a un campo eléctrico que varía lentamente. Dentro de cada sistema, el campo aplicado se opone a un campo eléctrico inducido generado por la acumulación de cargas superficiales. (a) En metales, los electrones pueden moverse libremente hasta que los campos aplicados e inducidos se cancelen en su mayor parte. En dieléctricos (b) y dieléctricos efectivos (c), la carga superficial es generada por la polarización de los (meta-) átomos o (meta-) moléculas, y el campo inducido es más débil que el campo aplicado. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
En ciencia de materiales, Los componentes ópticos acromáticos pueden diseñarse con alta transparencia y baja dispersión. Los científicos de materiales han demostrado que aunque los metales son muy opacos, Los arreglos densamente empaquetados de nanopartículas metálicas con más del 75 por ciento de metal en volumen pueden volverse más transparentes a la radiación infrarroja que los dieléctricos como el germanio. Tales matrices pueden formar dieléctricos efectivos que están virtualmente libres de dispersión en rangos de longitudes de onda de banda ultra ancha para diseñar una variedad de dispositivos ópticos basados en metamateriales de próxima generación.
Los científicos pueden ajustar los índices de refracción locales de dichos materiales alterando el tamaño, forma y espaciado de nanopartículas para diseñar lentes de índice de gradiente que guían y enfocan la luz en la microescala. El campo eléctrico se puede concentrar fuertemente en los espacios entre las nanopartículas metálicas para el enfoque y la 'compresión' simultáneos del campo dieléctrico para producir fuertes, hotspots doblemente mejorados. Los científicos pueden utilizar estos puntos calientes para impulsar las mediciones realizadas mediante espectroscopia infrarroja y otros procesos no lineales en un amplio rango de frecuencias.
En un estudio reciente ahora publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Samuel J. Palmer y un equipo de investigación interdisciplinario en los departamentos de Física, Matemáticas y nanotecnología en el Reino Unido, España y Alemania, demostró que los dieléctricos artificiales pueden permanecer muy transparentes a la radiación infrarroja y observaron este resultado incluso cuando las partículas eran nanoscópicas. Demostraron que el campo eléctrico penetra en las partículas (haciéndolas imperfectas para la conducción) para que se produzcan interacciones fuertes entre ellas en una disposición muy compacta. Los resultados permitirán a los científicos de materiales diseñar componentes ópticos que sean acromáticos para aplicaciones en la región de longitud de onda media a infrarroja.
Palmer y sus colegas pudieron ajustar el índice de refracción local de estos componentes alterando el tamaño, forma y espaciado de nanopartículas con sensibilidad al índice de refracción local del entorno circundante. Los científicos mejoraron el campo eléctrico en los espacios entre las nanopartículas metálicas en la matriz y al mismo tiempo explotaron su transparencia. sintonía y alta fracción de relleno metálico para diseñar una lente de índice de gradiente. El trabajo enfocó la luz en la microescala y exprimió el campo eléctrico en la nanoescala para producir el punto caliente del campo eléctrico doblemente mejorado en toda la región infrarroja (IR). Los científicos prevén que el nuevo trabajo impulsará las mediciones realizadas mediante espectroscopia IR y otros procesos no lineales en una amplia gama de frecuencias.
Permitividad efectiva de matrices de nanopartículas metálicas. (a) La permitividad efectiva de una matriz de nanocilindros de titanio (con diámetro d =38 nm y separación de superficie a superficie G =2 nm) para luz polarizada TE (curva roja) y TM (curva azul) en comparación con la permitividad de titanio sólido (curva de trazos). (b) La permitividad efectiva de las nanoesferas de titanio, (d =20 nm, G =2 nm) para luz no polarizada. (c) La longitud de penetración efectiva de las matrices de nanopartículas puede exceder la de los dieléctricos reales, como el germanio, incluso para fracciones de relleno metálicas de hasta el 75 por ciento. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
Actualmente, los científicos de materiales pueden desarrollar materiales nuevos y avanzados; sin embargo, ningún material nuevo es verdaderamente homogéneo en su constitución. Sin embargo, la mayoría de los materiales se pueden caracterizar usando propiedades microscópicas homogéneas tales como índices de refracción en los que las inhomogeneidades atomísticas son más pequeñas que las longitudes de onda promedio de la luz óptica que incide sobre el material. Los materiales construidos artificialmente conocidos como metamateriales se describen mediante un índice efectivo cuando el material contiene una estructura de sublongitud de onda suficiente. Los primeros metamateriales incluían dieléctricos artificiales compuestos por matrices de partículas metálicas a escala centimétrica capaces de guiar y enfocar ondas de radio como un dieléctrico. Las partículas metálicas de los primeros materiales dieléctricos artificiales eran tan grandes que se comportaban como conductores perfectos con alta transparencia a las ondas de radio. La investigación reciente en ciencia de materiales tiene como objetivo construir dieléctricos efectivos para el espectro visible e infrarrojo utilizando matrices de partículas metálicas a nanoescala. Los avances en el ensamblaje de nanopartículas metálicas pueden permitir una ingeniería sofisticada de interacciones luz-materia sin precedentes en el dominio óptico.
En el presente trabajo, Palmer y col. contrastó la transparencia de las matrices de nanocilindros y nanoesferas (aunque las nanopartículas pueden tener otras formas) con el germanio para demostrar que las matrices podrían guiar y enfocar la luz. Las matrices de nanocilindros se comportaron como dieléctricos efectivos con luz polarizada eléctrica transversal; donde una fuerza transversal sobre los electrones condujo a cargas superficiales oscilantes que imitaban los dipolos oscilantes de un átomo en un dieléctrico real.
A diferencia de, la respuesta de los cilindros a la luz polarizada magnética transversal fue similar a la del metal a granel, dado que los electrones podían moverse libremente bajo la acción del campo eléctrico longitudinal sin encontrar las superficies de los cilindros. Las matrices de nanoesferas en el estudio se comportaron como dieléctricos efectivos, independientemente de la polarización incidente:enfocar los electrones en cualquier dirección para producir cargas superficiales que imitan los dipolos oscilantes de un dieléctrico. Tales matrices mostraron una alta transparencia en comparación con dieléctricos reales como el germanio, incluso cuando el sistema tenía más del 75 por ciento de metal.
Demostraciones experimentales y numéricas de matrices metálicas transparentes. (a) Imagen de microscopía de un supercristal coloidal de oro de 60 nm de diámetro depositado sobre un sustrato de Ge. (b) Las partículas metálicas muestran una alta transparencia infrarroja. (c – e) Los dieléctricos efectivos son lo suficientemente transparentes como para actuar como lentes de escala micrométrica a la radiación infrarroja de longitud de onda λ0 =2 μm, como lo muestran los campos cercanos magnéticos. Existe una buena concordancia entre (d) la geometría completa de los cilindros de titanio con un diámetro de 38 nm y un espacio entre superficies de 2 nm y (e) la geometría homogeneizada, neff =3,2 + 0,5i. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
Para probar la precisión de la teoría propuesta, Palmer y col. produjo un supercristal coloidal altamente ordenado utilizando nanopartículas de oro de 60 nm de diámetro. Depositaron el supercristal sobre un sustrato de germanio y caracterizaron el material (propiedades físicas probadas) utilizando un espectrofotómetro UV-vis-NIR. Los científicos observaron una transparencia excepcional de los materiales, demostrando la viabilidad de producir metamateriales experimentalmente. Usando campos cercanos magnéticos, demostraron que los dieléctricos efectivos eran lo suficientemente transparentes como para actuar como lentes de escala micrométrica a la radiación infrarroja. A pesar de contener un 82 por ciento de metal por volumen, los científicos observaron que romper el oro sólido en una matriz de nanocilindros de oro producía una lente transparente capaz de enfocar la luz, muy parecido al comportamiento de una lente dieléctrica homogénea.
Transparencia en función de la profundidad de la piel del material. (a) El índice efectivo de una matriz cuadrada de nanocilindros, compuesto de aluminio, oro, plata, y titanio. Recuadro:la profundidad de la piel de cada metal, calculado utilizando el modelo de permitividad de Lorentz-Drude. (b) A una longitud de onda fija, es la relación entre el diámetro de las partículas y la profundidad de la piel del metal lo que determina si las partículas se comportan como dipolos cuasiestáticos o como conductores perfectos. El índice efectivo es notablemente constante para d ≲ δs. Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
Luego, los científicos compararon diferentes tipos de metales (aluminio, plata, oro y titanio) para mostrar que los materiales con mayor profundidad de piel producían las matrices de nanopartículas más transparentes y menos dispersivas. Palmer y col. mostró que a una longitud de onda fija, la relación entre el diámetro de partícula y la profundidad de la piel del metal determinaba si la partícula se comportaría como dipolos de cuasipartículas o como conductores perfectos.
Además de una alta transparencia, los científicos podían ajustar el sistema controlando el tamaño, forma y espacio de las partículas. Por ejemplo, Palmer y col. controló la relación de aspecto de las matrices de cilindros elípticos para mostrar que la respuesta anisotrópica del material podría ajustarse. Los resultados numéricos mostraron que el índice efectivo se podía ajustar fácilmente para variar en más del 50 por ciento cuando se rotaba el sistema. De ese modo, los científicos pudieron ajustar el índice efectivo fijando las posiciones de las partículas y ajustando sus tamaños.
IZQUIERDA:El índice efectivo de nanocilindros de oro en función de la relación de aspecto y el tamaño de partícula. Numéricos (líneas continuas) y fórmula de mezcla de Maxwell Garnett (guiones). (a) Se variaron las relaciones de aspecto de las matrices cuadradas de cilindros, mientras se mantiene constante el volumen y la separación de superficie a superficie de cada cilindro, como se muestra en los recuadros. El diámetro no distorsionado de los cilindros fue d =30 nm y la longitud de onda incidente fue λ0 =200 μm. (b) Los cilindros se colocaron en una red triangular de 50 nm de longitud, y sus diámetros se variaron de 0 nm ≤ d ≤ 48 nm para una longitud de onda incidente de λ0 =2 µm. DERECHA:Diseño de una lente de índice de degradado con puntos de acceso "doblemente mejorados". (a) Esquema de una lente de índice de gradiente "concentrador" compuesta de nanocilindros de oro en una red triangular con 50 nm de separación entre sitios. (b) Perfil de índice efectivo de la lente concentradora, ideal (punteado) y logrado (sólido). (c) Los campos cercanos magnéticos calculados utilizando la geometría efectiva y la geometría completa confirman que las ondas planas se enfocan hacia el origen de la lente. (d) Dentro del punto focal de la lente, el enfoque combinado y la compresión del campo eléctrico produce puntos calientes "doblemente mejorados". Crédito:Nature Communications, doi:10.1038 / s41467-019-09939-8
Para resaltar este potencial para ajustar el índice efectivo local, Palmer y col. luego construyó una lente de índice de gradiente (GRIN) usando celosías triangulares de cilindros de oro y varió los diámetros de los cilindros con la posición. Usando la lente GRIN, los científicos pudieron enfocar simultáneamente la luz en la microescala y luego 'exprimir' la luz en la nanoescala para producir la luz intensa, puntos calientes de campo eléctrico "doblemente mejorados". A diferencia de las mejoras plasmónicas, el efecto no se basó en resonancias con pérdida, demostrando propiedades de banda ancha y bajas pérdidas.
Demostraron que el punto focal de la lente GRIN tenía que coincidir con la región de empaquetamiento más cercano para maximizar la compresión del campo eléctrico. A diferencia de los campos magnéticos que eran continuos a través de las interfaces aire-metal en el estudio, el campo eléctrico fuertemente localizado en los huecos. Como resultado, La compresión de una longitud de onda de 2 µm en espacios de 2 nm produjo fuertes puntos calientes de alta intensidad en el estudio.
De este modo, Palmer y col. construido de baja pérdida, dieléctricos efectivos a partir de matrices de nanopartículas metálicas. Los científicos obtuvieron matrices altamente transparentes que excedían la transparencia de dieléctricos reales como el germanio; reconocidos por su transparencia a la radiación de baja energía. También pudieron ajustar y controlar localmente el tamaño, forma y espacio de las partículas que forman los nuevos metamateriales. Los científicos demostraron que el índice efectivo es esencialmente constante para todas las longitudes de onda superiores a 2 µm. Este trabajo permitirá a los científicos de materiales diseñar y diseñar dispositivos ópticos sofisticados con metamateriales que guían o mejoran la luz en una amplia gama de frecuencias. esencialmente sin un límite superior en la longitud de onda.
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