Metamirror reflexivo anômalo. O estudo é realizado para ϕr =0, θi =0 °, e θr =70 °. (A) Representação esquemática do problema. (B) Distribuição do vetor de intensidade ditado pelas equações derivadas no estudo. (C) A função de nível de curva normalizada gn (x, y) =g (x, y) / I0. As linhas brancas representam as curvas de nível, ou seja, as curvas são paralelas ao vetor de intensidade em todos os pontos. (D) Impedância de superfície. A curva de nível correspondente associada a esta impedância é marcada com a linha tracejada em (C). Simulação numérica da resposta de uma metassuperfície conforme a potência:(E) Metasuperfície modelada como uma fronteira reativa não homogênea. A linha verde mostra a superfície limite. (F) Implementação real usando tubos com terminação rígida. As linhas vermelhas indicam superfícies modeladas como limites rígidos. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aau7288
Metasurfaces são metamateriais bidimensionais (2-D) que podem controlar ondas de espalhamento de um feixe de luz. Suas aplicações incluem polarizadores de folha fina, divisores de feixe, direcionadores de feixe e lentes. Essas estruturas podem controlar e transformar ondas de impacto com base na lei de reflexão e refração generalizada (GSL; lei de Snell generalizada e lei de reflexão generalizada), que afirma que pequenos elementos de deslocamento de fase podem controlar as direções das ondas refletidas e transmitidas.
Em um estudo recente, Ana Díaz-Rubio e colegas de trabalho na Finlândia e nos EUA investigaram metassuperfícies reflexivas conhecidas como metamirrors. O trabalho foi baseado na distribuição do fluxo de potência e na adaptação da forma do refletor para projetar as distribuições desejadas de campos incidentes e refletidos, resultando em metamirrors altamente eficientes. O trabalho investigou reflexão anômala e divisão de feixe para ondas acústicas e eletromagnéticas, e os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .
Só recentemente os cientistas compreenderam a física da transformação de ondas por metassuperfícies. Para entender as dificuldades de controlar os reflexos das metassuperfícies, os cientistas consideraram o fluxo de energia nas proximidades de refletores anômalos. Por exemplo, em teoria, Haverá regiões onde a energia transportada pelo incidente e ondas refletidas de interesse "entram" na metassuperfície e regiões onde a energia "emerge" da superfície. Os fenômenos indicaram que as metasuperfícies exigiam resposta de ganho / perda distribuída periodicamente ou comportamento fortemente não local. Para conseguir isso na prática, os cientistas podem projetar cuidadosamente o perfil de resistência da superfície dos materiais para reflexões de alta eficiência em direções arbitrárias.
Além disso, duas ondas refletidas podem ser controladas simultaneamente para projetar totalmente as reflexões das ondas. Trabalhos anteriores haviam mostrado que o projeto de metassuperfícies de gradiente de fase com base na lei de reflexão generalizada - tinha maior eficiência se o ângulo de deflexão não ultrapassasse 40 a 45 graus. Para projetar dispositivos altamente eficientes, como hologramas ou lentes, múltiplas ondas refletidas devem ser controladas sem reflexos parasitas. Como um mecanismo de orientação de energia, os cientistas já projetaram cuidadosamente campos evanescentes atrás de metassuperfícies para realizar interações não locais entre meta-átomos.
Divisor de feixe assimétrico (70 e 30%). A análise é realizada para ϕ1 =ϕ2 =0, θi =0 °, e θr =± 70 °. (A) Representação esquemática do problema. (B) Distribuição da intensidade. C) A função de nível de curva normalizada gn (x, y) =g (x, y) / I0. As linhas brancas representam as curvas de nível, ou seja, as curvas paralelas ao vetor de intensidade. (D) Impedância de superfície. A curva de nível correspondente associada a esta impedância é marcada com a linha tracejada em (C). Resultados numéricos para a metassuperfície conforme a potência:(E) Metasuperfície modelada como um limite de impedância. A linha verde mostra a posição do limite. (F) Implementação real usando tubos com terminação rígida. As linhas vermelhas mostram paredes tubulares modeladas como limites rígidos. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aau7288
No novo estudo, Díaz-Rubio et al. estudou a possibilidade de criar metamirrors capazes de refletir ondas em direções arbitrárias, sem dispersão parasitária e sem a necessidade de campos evanescentes próximos à metassuperfície. Os cientistas introduziram um método de design multifísico para criar metamirrores acústicos ou eletromagnéticos para moldar as ondas refletidas. Eles descreveram um método sistemático para projetar metamirrors teoricamente perfeitos com base em uma abordagem contendo quatro etapas, Incluindo:
Os cientistas realizaram simulações numéricas no estudo usando a análise de elementos finitos do software COMSOL Multiphysics. Os projetos propostos foram simulados e calculados usando condições de contorno de parede dura. Os cientistas simularam a iluminação como uma onda plana perfeita, implementado usando condições de domínio de campo de pressão de fundo.
Verificação experimental. (A) Representação esquemática da configuração experimental e uma fotografia da amostra fabricada. (B) Comparação entre o espalhamento normalizado dos metamirrores reflexivos anômalos para diferentes larguras de feixe, w0:simulação (sim.) do metaespelho conforme (w0 =40 e 60 cm), verificação experimental do metaespelho conformado (w0 =40 cm), e projeto GSL simulado (w0 =40 cm). O espalhamento normalizado é calculado com uma transformada de Fourier dos campos de pressão ao longo de uma linha sobre as metassuperfícies. (C e D) Análise da parte real (C) e do quadrado da magnitude (D) do campo de pressão experimental e comparação com simulações numéricas. a.u., unidades arbitrárias. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aau7288
A abordagem de design introduzida por Díaz-Rubio et al. não exigiu nenhuma otimização numérica para uma visão física dos fenômenos complexos de reflexão e difração. Os resultados do estudo, portanto, forneceram uma vantagem clara para uso no design e desenvolvimento de dispositivos práticos. Como prova de conceito, os cientistas realizaram uma validação experimental no estudo, para os quais eles escolheram metamirrores acústicos capazes de refletir ondas acústicas normalmente incidentes na direção de 70 graus. Díaz-Rubio et al. projetou os metamirrors usando tubos de extremidade fechada impressos em 3-D, onde a geometria da superfície seguiu o contorno conformado perpendicular à direção do fluxo de potência como numericamente simulado.
No experimento, os cientistas realizaram medições para obter os campos espalhados. Os resultados mostraram que mais energia viajou na direção desejada, enquanto uma quantidade residual de energia espalhada em outras direções. As imperfeições observadas foram consequência da largura finita da viga; Portanto, o desempenho dos metamirrors foi melhor com feixes mais largos. A partir desta análise, os cientistas mostraram que a energia espalhada em direções indesejadas poderia ser significativamente reduzida quando eles aumentassem a largura do feixe na configuração experimental. Desta maneira, Díaz-Rubio et al. mostrou maior eficiência do metamirror conformal em comparação com o projeto convencional correspondente.
Para medições de mapeamento de campo experimental com ondas acústicas, os cientistas usaram um conjunto de alto-falantes com 28 alto-falantes para enviar um feixe modulado por Gauss para a metassuperfície e varrer o campo usando um microfone móvel a um passo de 2 cm. Eles obtiveram o campo acústico em cada ponto, que eles então calcularam usando o método da transformada de Fourier. Os campos acústicos medidos em 3000 Hz estiveram em excelente concordância com as simulações. Quando os cientistas mediram a eficiência dos metamirrores com base na energia espalhada, eles obtiveram um valor de 96,9 por cento, validando sua abordagem.
A validação experimental relatada neste estudo por Díaz-Rubio et al. é a primeira implementação de um metaespelho acústico reflexivo anômalo que poderia superar os limites de eficiência dos projetos anteriores baseados em GSL. Os cientistas já haviam usado metassuperfícies conformadas para projetar dispositivos de camuflagem, ilusões e lentes ópticas e acústicas, onde as metassuperfícies se adaptaram à forma de corpos dispersos ou refletivos. Comparativamente, no conceito proposto por Díaz-Rubio et al. metassuperfícies conformadas adaptadas à distribuição de potência desejada dos campos. Como resultado, o conceito pode ser usado para realizar transformações de campo complexas com alta eficiência, conforme demonstrado experimentalmente no estudo e continua a ser investigado na prática no futuro.
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