Científicos crean un nuevo metamaterial bidimensional con capacidad para acelerar los ordenadores

Científicos rusos han concebido un metamaterial bidimensional compuesto por elementos de plata, que refracta la luz de una manera inusual, con capacidad para acelerar los ordenadores.

La investigación, realizada en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y el Instituto Landau de Física Teórica de la Academia de Ciencias de Rusia, ha sido publicada en Optical Material Express.

   En el futuro, estas estructuras podrán ser utilizadas además para desarrollar dispositivos ópticos compactos, así como para crear capas de invisibilidad.

   Los resultados de las simulaciones por ordenador realizadas por los autores mostraron que sería un material de alto rendimiento para la luz con una longitud de onda de 400-500nm (violeta, azul y azul claro). La eficiencia en este caso se define como el porcentaje de luz dispersada en una dirección deseada. La eficiencia del material es de aproximadamente un 70% para la refracción, y un 80% para la reflexión de la luz. Teóricamente, la eficacia podría llegar a 100%, pero en metales reales hay pérdidas debido a la resistencia.

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   Un metamaterial es un material cuyas propiedades son creadas por una estructura periódica artificial. El prefijo «meta» indica que las características del material están más allá de lo que vemos en la naturaleza. Muy a menudo, cuando hablamos de los metamateriales, nos referimos a materiales con un índice de refracción negativo. Cuando la luz incide sobre la superficie de un material de este tipo, la luz refractada está en el mismo lado de la superficie que la luz incidente. La diferencia entre el comportamiento de la luz en un medio con un índice de refracción positivo y negativo se puede ver, por ejemplo, cuando una barra está sumergida en líquido.

   La existencia de sustancias con un índice de refracción negativo se predijo a mediados del siglo XX. En 1976, el físico soviético V.G. Veselago publicó un artículo en el que teóricamente se describen sus propiedades, incluyendo una inusual refracción de la luz. El término «metamateriales» para este tipo de sustancias se sugirió por Roger Walser en 1999. Las primeras muestras de metamateriales se hicieron sobre matrices de alambres finos y sólo trabajaron con la radiación de microondas.

   El principio de funcionamiento del metematerial se basa en el fenómeno de difracción. Cualquier matriz plana periódica puede ser vista como una red de difracción, que divide la luz incidente en unos pocos rayos. El número y la dirección de los rayos depende de parámetros geométricos: el ángulo de incidencia, longitud de onda y el período de la retícula. La estructura de la célula unitaria, a su vez, determina cómo se distribuye la energía de la luz incidente entre los rayos. Para un índice de refracción negativo es necesario que todos menos uno de los rayos de difracción se supriman, y a continuación, toda la luz incidente será dirigida en la dirección requerida.

   En la nueva investigación, la célula unitaria de la red propuesta se compone de un par de cilindros de plata estrechamente espaciados con un radio del orden de 100 nanómetros. Tal estructura es simple y funciona a longitudes de onda ópticas, mientras la mayoría de los análogos tienen geometrías más complejas y sólo funcionan con microondas.

   La interacción efectiva de pares de cilindros de metal con luz es debida al efecto de resonancia del plasmón. La luz es absorbida por las varillas de metal, obligando a los electrones en el metal a oscilar y reirradiar. Los investigadores fueron capaces de ajustar los parámetros de la célula para que la respuesta de red óptica resultante sea consistente con la anormal refracción de la onda incidente. Curiosamente, invirtiendo la orientación de los pares de cilindros, se puede obtener un efecto anormal reflexión. Cabe señalar que el esquema funciona con una amplia gama de ángulos de incidencia.

   Los resultados obtenidos se pueden aplicar para controlar señales ópticas en dispositivos ultra-compactos. En este caso, estamos hablando principalmente acerca de las tecnologías de procesamiento de la transmisión y la información óptica, lo que ayudará a agilizar el procesamiento de los ordenadores en el futuro. Las interconexiones eléctricas convencionales que se utilizan en los chips modernos están operando al límite de su capacidad de carga e inhiben un mayor crecimiento en el rendimiento de la computación.

   Para reemplazar las interconexiones eléctricas de óptica tenemos que ser capaces de controlar con eficacia las señales ópticas a escala nanométrica. Para solucionar este problema, los esfuerzos de la comunidad científica se centran en gran medida en la creación de estructuras capaces de ‘convertir’ la luz en la dirección deseada.

 

ep

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