Primer metamaterial conductor no metálico, sin calentarse

30/01/2017
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 Ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han creado el primer metamaterial electromagnético sin metal, que absorbe energía electromagnética sin calentamiento.

  Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos de muchas características individuales diseñadas que, juntas, producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Imagine una onda electromagnética que se mueve a través de una superficie plana formada por miles de diminutas células eléctricas. Si los investigadores pueden afinar cada célula para manipular la onda de una manera específica, pueden dictar exactamente cómo se comporta la onda como un todo.

  Sin embargo, para que los investigadores manipulen ondas electromagnéticas, normalmente han tenido que usar metales conductores de electricidad. Este enfoque, sin embargo, trae consigo un problema fundamental de los metales: cuanto mayor es la conductividad eléctrica, mejor conduce el calor el material también. Esto limita su utilidad en aplicaciones dependientes de la temperatura.

  En un nuevo trabajo, los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke demuestran el primer metamaterial completamente electromecánico completamente dieléctrico (no metálico), una superficie con hoyuelos con cilindros como la cara de un ladrillo Lego diseñado para absorber las ondas terahertzio. Mientras que esta gama de frecuencia específica se sitúa entre las ondas infrarrojas y las microondas, el enfoque debe ser aplicable para casi cualquier frecuencia del espectro electromagnético.

  Los resultados se han publicado en Optics Express.

  "La gente ha creado este tipo de dispositivos antes, pero los intentos previos con dieléctricos siempre han sido emparejados con al menos algo de metal", dijo Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Duke. "Todavía tenemos que optimizar la tecnología, pero el camino hacia varias aplicaciones es mucho más fácil que con los enfoques basados en el metal".

  Padilla y sus colegas crearon su metamaterial con silicio dopado con boro, un metal no metálico. Usando simulaciones por computadora, calcularon cómo las ondas terahertzio interactuarían con cilindros de alturas y anchuras variables.

  Los investigadores entonces fabricaron un prototipo que consistía en cientos de estos cilindros optimizados alineados en filas sobre una superficie plana. Las pruebas físicas mostraron que la nueva 'metasuperficie' absorbió 97.5 por ciento de la energía producida por las ondas en 1.011 terahertzios.

  La absorción eficiente de energía de las ondas electromagnéticas es una propiedad importante para muchas aplicaciones. Por ejemplo, los dispositivos de imagen térmica pueden funcionar en la gama de terahertzios, pero debido a que han incluido anteriormente al menos algunos metales, conseguir imágenes nítidas ha sido un reto.

  "El calor se propaga rápidamente en los metales, lo que es problemático para las cámaras térmicas", dijo Xinyu Liu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Padilla y primer autor del artículo. "Hay trucos para aislar el metal durante la fabricación, pero eso se vuelve engorroso y costoso".

  Otra aplicación potencial para la nueva tecnología es la iluminación eficiente. Las bombillas incandescentes hacen la luz pero también crean una cantidad significativa de calor perdido. Deben funcionar a altas temperaturas para producir luz, mucho más alto que el punto de fusión de la mayoría de los metales.

  "Podemos producir una meta-superficie dieléctrica diseñada para emitir luz, sin producir calor residual", dijo Padilla. "Aunque ya hemos podido hacer esto con metamateriales basados en metal, se necesita trabajar en temperaturas altas para que la cosa entera funcione. Los materiales dieléctricos tienen puntos de fusión mucho más altos que los metales, y ahora estamos intentando rápidamente llevar esta tecnología al infrarrojo para demostrar un sistema de iluminación".