Fig. 1. (a) Meio ideal homogêneo de índice zero. (b) Aplicações de meio de índice zero em manto de espaço livre, guia de onda de formato arbitrário e laser emissor de superfície de cristal fotônico. Crédito:eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x No domínio da ciência dos materiais, os metamateriais eletromagnéticos (EM) surgiram como uma classe revolucionária de compósitos projetados, capazes de manipular ondas eletromagnéticas de maneiras nunca antes possíveis. Ao contrário dos seus homólogos naturais, os metamateriais EM derivam as suas propriedades extraordinárias dos seus arranjos estruturais únicos, permitindo-lhes exibir características electromagnéticas inatingíveis em materiais convencionais.
Uma das características mais fascinantes dos metamateriais EM reside no domínio dos metamateriais de índice zero (ZIMs). Os ZIMs possuem a notável capacidade de obter distribuição uniforme do campo eletromagnético em formatos arbitrários (Figura 1a). Esta propriedade única abre muitas aplicações potenciais, desde dispositivos de camuflagem ultracompactos até guias de onda e lentes de formato arbitrário e lasers emissores de superfície de cristal fotônico (Figura 1b).
Apesar do seu imenso potencial, os ZIM têm enfrentado um obstáculo significativo na sua implementação prática. A homogeneidade dos ZIMs é frequentemente limitada pelo número de células unitárias por comprimento de onda do espaço livre. Esta limitação surge da propriedade de baixas permissividades dos materiais utilizados para construir ZIMs. Como resultado, os ZIMs muitas vezes requerem grande espaço físico para atingir as suas propriedades eletromagnéticas efetivas (Figura 2b). Fig. 2. (a) Esquema do ZIM baseado em cone de Dirac. (b) ZIM convencional baseado em cone de Dirac 5 × 5. (c) ZIM em massa ideal. (d) ZIM convencional baseado em cone de Dirac 3 × 3. (e) ZIM baseado em cone de Dirac 11 × 11 altamente homogêneo. Crédito:eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x Os pesquisadores superaram esse desafio de longa data em um estudo publicado na eLight desenvolvendo um ZIM altamente homogêneo usando uma nova combinação de materiais de alta permissividade.
Conforme mostrado na Figura 3a, empregando SrTiO3 pilares cerâmicos embutidos em um BaTiO3 matriz de fundo, eles fabricaram com sucesso um ZIM com um aumento de mais de três vezes no nível de homogeneização (Figuras 2b e 2e), reduzindo significativamente suas dimensões físicas. Fig. 3. (a) Esquema do ZIM altamente homogêneo. (b) Índice de refração efetivo simulado e impedância do ZIM altamente homogêneo. (c, d) Distribuições de campo próximo simuladas e medidas sobre a superfície superior do ZIM. Crédito:eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x Com base na distribuição uniforme da fase do campo eletromagnético em todo o ZIM, os pesquisadores demonstraram uma antena de alta diretividade. Ao incorporar o ZIM em um guia de ondas metálico (Figura 4a), esta antena aproximou-se da limitação fundamental da diretividade na antena, pois o tamanho da abertura varia do regime de subcomprimento de onda a uma escala muito grande (Figura 4c). Fig. 4. (a) Fotografia da antena baseada em ZIM. (b) Padrão simulado de diretividade de campo distante da antena baseada em ZIM. (c) Comparação das diretividades simuladas e medidas de antenas baseadas em ZIM e de antenas dielétricas com os limites de diretividade calculados. Crédito:eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x Esta inovação abre caminho para uma nova era de dispositivos baseados em ZIM, oferecendo desempenho e tamanho compacto sem precedentes. A conquista dos pesquisadores tem implicações profundas para uma ampla gama de campos, incluindo comunicações sem fio, sensoriamento remoto e sistemas de posicionamento global. Além disso, o seu trabalho abre novas possibilidades para pesquisas fundamentais em guias de onda ultracompactos, dispositivos de camuflagem e computação quântica supercondutora.
Mais informações: Yueyang Liu et al, Cerâmicas de alta permissividade possibilitaram metamateriais de índice zero altamente homogêneos para antenas de alta diretividade e além, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x Informações do diário: eLight
