Metamateriais anti arco-íris

Os metamateriais uma área importante da investigação atualmente, pelo que os materiais artificiais são desenhados com elementos de ressonância para exibir as propriedades que não são encontradas em materiais naturais e ao organizar os materiais de uma maneira específica os investigadores podem construir materiais com uma refletividade negativa como por exemplo a reflexão da luz num ângulo inverso a partir de materiais normais, no entanto os metamateriais até agora estão abrigado uma desvantagem significativa, ao contrário dos materiais naturais estes materiais são bidimensionais e inerentemente anisotrópica o que significa que eles são desenhados para atuar numa determinada direção. Por outro lado três materiais naturais dimensionais normalmente têm a mesma aparência em todas as direções, como por exemplo a água num vidro atua como um material isotrópico para a luz mesmo que a própria molécula de água tem uma estrutura assimétrica e anisotrópico.
Os investigadores foram capazes de produzir metamateriais isotrópicos tridimensionais, mas até agora apenas em uma escala muito pequena. Em pequenos avanços investigadores do RIKEN em colaboração com outros investigadores do ITRC–NARLabs na Tailândia, conseguiram criar um metamaterial com as seguintes dimensões 4mmx4mm2 que é essencialmente isotrópico utilizando um tipo de elemento de metamaterial chamada SRR – “split-ring resonator”. Estes investigadores chegaram a esta descoberta com base numa nova técnica de produção que combina litografia eletrão topdown e um auto-dobrar mecanismo de abordagem ascendente causada pela força intrínseca dos metais sendo chamado o método de auto-dobrável dos metais impulsionados pela força.
Eles começaram com o processo top-down, em que depositam uma camada de PMMA a um polímero sobre um substrato de silício e depois utilizam um feixe de litografia de electrões para gravar uma cavidade em forma de fita em que o polímero em seguida é depositado numa tira metálica feita de níquel e ouro, após isso eles removeram todo o filme de metal de fora da cavidade e a partir de então o processo tornou-se bottom-up. Os investigadores eliminaram o silício excepto para um pequeno botão na fita ao centro da tira e quando o chip foi exposto ao ar as tensões sobre as tiras de metal levou para formar um anel em cima criando um ressonador metamaterial tridimensional, essencialmente a tensão dentro dos próprios materiais que foi utilizada para leva-los a dobrarem-se. A equipe então utilizou a espectroscopia ao descobrir que o material era de forma inequívoca e notavelmente isotrópica quando girada em qualquer direção até um ângulo de incidência de 40 graus. Estas propriedades óticas do IRF também foram apoiadas por cálculos numéricos electromagnéticos tridimensionais. O resultado da equipe demonstrou um método promissor para a produção de metamateriais altamente simétricos levando a respostas óticas isotrópicas. Esta técnica será um grande avanço para trazer os conceitos dos metamateriais em componentes de produtos reais especialmente em frequências óticas que permite construir até meta-átomos tridimensionais mais complexas com propriedades ópticas interessantes e permite ir além do limite de difração de lentes convencionais e dos dispositivos de camuflagem.
Um dos exemplos prático de utilização num produto pode ser visto num caso de remover as distorções de instrumentos óticos. Isto devido à produção de um arco-íris invertido pelo que um arco-íris normal costuma de ter a cor vermelha no topo enquanto o violeta é sobre o fundo, isto é verdade se o arco-íris for criado por um prisma de vidro ou por gotículas de água no céu e é devido à forma com que estes materiais refratam a luz de diferentes comprimentos de onda as cores a cor vermelha com maior comprimento de onda enquanto os violetas com comprimentos de onda menores.
Atualmente num novo estudo os investigadores criaram um prisma que faz o oposto ele refrata as ondas de maior comprimento e fortes em ondas mais curtas, e o resultado é um arco-íris invertido.
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O investigador como Tiago André Morgado da Universidade de Coimbra do Instituto de Telecomunicações, e outros investigadores da Universidade de Lisboa publicaram um artigo aonde explicam como se produz o novo prisma de metamateriais. Neste caso a propriedade é atípica topologia não local dá origem à refração mais forte de comprimentos de onda mais longo e o arco-íris é inverso.
Como os investigadores explicam os materiais cristalinos naturais tais como vidro e água têm uma estrutura local em que os átomos se encontram isolados em pontos da rede e principalmente interagem apenas com os seus vizinhos mais próximos, em contraste com os átomos do novo metamaterial aonde estão todos interligados por fios metálicos cruzados. Na estrutura não local resultando a resposta de cada átomo de luz é fundamentalmente enredada com as respostas de outros átomos mesmo aqueles localizados longe no cristal.
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Este reposicionamento não localizado e interligada dos átomos muda a forma que o metamaterial dispersa diferentes frequências de luz produzindo um efeito chamado de dispersão anômala, essa anomalia é que o índice de refração do material e por conseguinte o ângulo de transmissão da luz como aumento da frequência diminui, e este é o oposto do que acontece em um prisma de vidro ou gotículas de água convencionais. Os investigadores demonstraram que em ambos as experiencias e simulações que o metamaterial não localizado pode criar um arco-íris inverso. O protótipo consiste numa pilha de placas de circuito impresso 297 impresso com tiras metálicas à escala de 0,25 mm para conectar as respostas dos átomos, embora o protótipo opere apenas na região de micro ondas o fenômeno também pode ser demonstrado nas partes visíveis e outros do espectro em futuras experiencias. Por causa da dispersão de material normal, lentes de vidro de materiais únicos convencionais são incapazes de concentrar todos os componentes espectrais da luz para o mesmo ponto mesmo em circunstâncias ideais onde os efeitos da difração são insignificantes, portanto a imagem produzida por uma lente de vidro pode ter distorções e em tal caso o sistema ótico é que sofrem de aberrações cromáticas.
Uma possibilidade interessante criada por um material de dispersão anómala é a correção das aberrações cromáticas, e pode ser visto pelo nivelamento por uma lente de vidro convencional com material de dispersão normal com um metamaterial adequadamente concebido com dispersão anómala que pode possível eliminar os efeitos do material de dispersão e eliminar as aberrações cromáticas para os comprimentos de onda de luz, isso pode fornecer uma trajetória para o melhoramento dos instrumentos óticos sendo insensíveis às aberrações cromáticas. Outras aplicações promissoras destes metamateriais não locais incluem guia do comprimento de sub-ondas e a focagem das lentes planas com base na refração negativa.
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