Un equipo de físicos de la Universidad ITMO, el Instituto Técnico Físico de Ioffe y la Universidad Nacional de Australia han investigado el fenómeno de la transición de fase entre cristales fotónicos y metamateriales, dos tipos de estructuras periódicas capaces de manipular la luz de formas complejas. El estudio ayuda aobtener una idea de las propiedades fundamentales de las estructuras periódicas y abre nuevas posibilidades para el diseño y la creación de nuevos materiales electromagnéticos. Los resultados del estudio se publicaron en Comunicaciones de la naturaleza .
Tanto los cristales fotónicos como los metamateriales son materiales artificiales compilados de pequeños componentes con diferentes propiedades electromagnéticas. Se parecen a cristales reales, aunque el componente básico de estos materiales es mucho más grande que un átomo o molécula. En física, estos materiales son interesantes debido asu capacidad para controlar efectivamente la propagación de la luz. Los fotones en estos materiales pueden moverse en trayectorias muy inusuales que están definidas por las propiedades de los constituyentes que componen la estructura periódica del material.
Los científicos de Rusia y Australia decidieron probar cómo cambiarían las propiedades ópticas de tales materiales si sus parámetros se modificaran gradualmente. Como modelo, los científicos utilizaron celosías de cilindros de plástico llenos de agua caliente.
Al interactuar con la luz, dicha estructura puede generar dos tipos de resonancias: resonancia Mie local, asociada a cada cilindro individualmente, y resonancia Bragg extendida que aparece debido a la interferencia de la luz dispersada de todos los cilindros. Si el índice de refracción de los cilindroses alta, entonces se dice que la estructura pertenece a metamateriales, mientras que si es baja, a cristales fotónicos.
El índice de refracción y la distancia entre cilindros vecinos son los dos factores principales que determinan las propiedades fotónicas del material.
Los investigadores hicieron cálculos para 100 valores diferentes del índice de refracción y 50 valores de constante de red, que van desde los casos en que los cilindros se tocaron entre sí hasta los casos en que la distancia entre los cilindros alcanzó los 100 radios de un cilindro.
Como resultado, se investigaron 5.000 estructuras fotónicas diferentes. A cada una se le asignó su lugar en la clasificación. La interpretación de los datos permitió a los investigadores construir el diagrama de fase de transición de un cristal fotónico a un metamaterial.
"Por lo general, cuando hablamos de transición de fase, un cambio brusco en las propiedades del material, imaginamos la conversión de algo duro en algo líquido o, por ejemplo, la aparición de propiedades eléctricas causadas por cambios en la temperatura o la presión. Estose debe al hecho de que la temperatura y la presión definen la estructura del material a nivel atómico. Influimos indirectamente, por así decirlo, simplemente cambiando los parámetros del entorno ", dice Mikhail Rybin, primer autor del estudio y seniorinvestigador en el Departamento de Nanofotónica y Metamateriales de la Universidad ITMO y el Instituto Físico-Técnico Ioffe.
"En el caso de estructuras fotónicas, nosotros mismos definimos las propiedades requeridas del material, eligiendo la disposición mutua y el índice de refracción de los elementos estructurales - metaátomos. Esto nos permite introducir el concepto de diagrama de fase en conjuntos de ejes: tamaño geométrico - índice de refracción. En nuestro caso, la estructura periódica genera una respuesta magnética negativa local, que actúa como un signo de un metamaterial. En otras palabras, la estructura se convierte de un cristal fotónico en un metamaterial ", agrega Rybin.
Para probar el cálculo teórico, los investigadores organizaron un metacristal a partir de tubos de plástico llenos de agua caliente. Las mediciones se realizaron en el rango de microondas. En los experimentos, la transición de fase se logró de dos maneras diferentes. La primera fue inducidaal alterar la temperatura del agua en el metacristal de 90 a 20 grados centígrados, lo que influyó en el índice de refracción del agua. El segundo método consistió en cambiar el espacio entre las tuberías, es decir, hacer que el metacristal sea más pequeño.El aumento de la presión en las transiciones de fase convencionales.
Las mediciones coincidieron perfectamente con las predicciones teóricas, necesarias para construir un diagrama de fase. Por lo tanto, el trabajo se ha convertido en el primer intento de imaginar cristales fotónicos y metamateriales dentro del sistema único con un conjunto de parámetros. Esto es importante, porque ahora los investigadores nonecesitan cálculos especiales para anticipar qué materiales deben usarse para producir elementos estructurales y qué tan densamente deben empaquetarse para producir un metamaterial.
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Materiales proporcionado por Universidad ITMO . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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