Metamateriales nanoestructurados: avances en el cálculo de sus propiedades ópticas

  • Ulises R. Meza Centro de Investigaciones en Óptica A. C.
  • Bernardo S. Mendoza Centro de Investigaciones en Óptica A. C.
  • W. L. Mochán Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Ciencias Físicas
Palabras clave: metamateriales, nano-estructuras, sistemas periódicos, homogeneización, medio efectivo, propiedades ópticas, óptica no lineal, permitividad, susceptibilidad, polarización óptica, dicroismo, generación de segundo armónico, materiales no lineales

Resumen

Este artículo tiene como objetivo presentar el trabajo realizado en los últimos años en el campo de metamateriales nanoestructurados. Se muestran principalmente los trabajos realizados en el Centro de Investigaciones en Óptica A. C. en conjunto con el Instituto de Física de la UNAM.  Estos trabajos se  han centrado en el desarrollo de nuevos modelos teóricos que permitan explicar las propiedades ópticas de sistemas nanoestructurados. Además, dichos modelos se han implementado dentro de paquetes computacionales de alto rendimiento, lo cual ha posibilitado la realización de cálculos numéricos precisos, mismos que permiten conocer las cantidades físicas con las que se puede caracterizar un material; en este caso, metamateriales nanoestructurados. Mayoritariamente, dichos cálculos numéricos se han centrado en el cómputo de la función dieléctrica y la susceptibilidad no lineal, siendo de suma importancia poder predecir su valor de forma precisa por ser dos cantidades fundamentales en el entendimiento de la interacción de la luz con la materia. Además de este desarrollo teórico-numérico, se muestran algunos resultados importantes obtenidos a lo largo de este tiempo, donde se puede observar la versatilidad y flexibilidad de los cálculos así como la importancia de contar con dichas metodologías en la predicción, descripción y diseño de materiales “a la medida” de las necesidades. Por último, se presentan las perspectivas a futuro de esta investigación, así como algunos de los retos más importantes al respecto.

Citas

Bergman y Dunn. (1992). Bulk effective dielectric constant of a composite with a periodic microgeometry. Physical Review. B, Condensed Matter, 45(23): 13262-71, junio 15. http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.45.13262

Brudny, V. L., Mochán, W. L., Maytorena. J. A. Mendoza, B. S. (2003). Second harmonic generation from a collection of nanoparticles. Physica Status Solidi (b), 240(3): 518-26, diciembre 1. http://dx.doi.org/10.1002/pssb.200303855

Cortes, E. et al. (2010). Optical properties of nanostructured metamaterials. Physica Status Solidi (b), 247(8): 2102-7. https://doi.org/10.1002/pssb.200983941

Datta, S., C. T. Chan, K. M. Ho y C. M. Soukoulis. (1993). effective dielectric constant of periodic composite structures. Physical Review B, 48(20): 14936-43, noviembre 15. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.48.14936

Decker, M., M. W. Klein, M. Wegener y S. Linden. (2007). Circular dichroism of planar chiral magnetic metamaterials. Optics Letters, 32(7): 856-58, abril 1. http://dx.doi.org/10.1364/OL.32.000856

Haydock, R. (1980). The recursive solution of the Schrödinger equation. Computer Physics Communications, 20(1): 11-16, septiembre 1. http://dx.doi.org/10.1016/0010-4655(80)90101-0

Keller, J. B. (1963). Conductivity of a medium containing a dense array of perfectly conducting spheres or cylinders or nonconducting cylinders. Journal of Applied Physics, 34(4): 991-93, abril 1. http://dx.doi.org/10.1063/1.1729580

Keller, J. B. (1964). A theorem on the conductivity of a composite medium. Journal of Mathematical Physics, 5(4): 548-549.

Klein, Matthias W., Martin Wegener, Nils Feth and Stefan Linden. (2007). OSA Experiments on second- and third-harmonic generation from magnetic metamaterials. Optics Express, 15(8): 5238-5247. OSA | The Optical Society. (Consultado septiembre 2, 2019). https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-15-8-5238&id=132271

Krasnok, A., Mykhailo Tymchenko y Andrea Alù. (2018). Nonlinear metasurfaces: a paradigm shift in nonlinear optics. Materials Today, 21(1): 8-21, enero 1. http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2017.06.007

Krokhin, A., P. Halevi y J. Arriaga. (2002). Long-wavelength limit (homogenization) for two-dimensional photonic crystals. Physical Review B, 65(11): 115208, marzo 7. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.65.115208

Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C. M. (2004). Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz. Science, 306(5700): 1351-53, noviembre 19, Nueva York, N.Y. http://dx.doi.org/10.1126/science.1105371

Liu, Zhaowei, Lee H., Xiong Y., Sun C., Zhang X. (2007). Farfield optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects. Science, 315(5819): 1686, marzo 23, Nueva York, N. Y. http://dx.doi.org/10.1126/science.1137368

Markel, Vadim A. (2016). Introduction to the Maxwell Garnett approximation: tutorial. Journal of the Optical Society of America A, 33(7): 1244, julio 1. http://dx.doi.org/10.1364/JOSAA.33.001244

McPhedran, R. C. y G. W. Milton. (1981). Bounds and exact theories for the transport properties of inhomogeneous media. Applied Physics A, 26(4): 207-20, diciembre 1. http://dx.doi.org/10.1007/BF00617840

Mendoza, Bernardo S. y W. Luis Mochán. (2016). Tailored optical polarization in nano structured metamaterials, Physical Review B, 94(19), noviembre 21. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.94.195137

Mendoza, Bernardo S. y W. Luis Mochán. (2012). Birefringent nanostructured composite materials. Physical Review B, 85(12): 125418, marzo 14. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.85.125418

Meza, Ulises R. Bernardo S. Mendoza y W. Luis Mochán. (2019). Second-harmonic generation in nanostructured metamaterials. Physical Review B, 99(12): 125408, marzo 6. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.99.125408

Milton, G. W. (1981). Bounds on the complex permittivity of a two-component composite material. Journal of Applied Physics, 52(8): 5286-93, agosto 1. http://dx.doi.org/10.1063/1.329385

Mochán, W. Luis y Rubén G. Barrera. (1985). Electromagnetic response of systems with spatial fluctuations. I. General formalism. Physical Review B, 32(8): 4984-4988, octubre 15. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.32.4984

Mochán, W. Luis y Rubén G. Barrera. (1985). Electromagnetic response of systems with spatial fluctuations. II. Applications. Physical Review B, 32(8): 4989-5001, octubre 15. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.32.4989

Mochán, W. Luis, Bernardo S. Mendoza y Irina Solís. (2014). Second harmonic generation in nanostructured metamaterials. En Latin America Optics and Photonics Conference. Cancún: OSA. LM2C.2. http://dx.doi.org/10.1364/LAOP.2014.LM2C.2

Mochán, W. Luis, Guillermo P. Ortiz y Bernardo S. Mendoza. (2010). Efficient homogenization procedure for the calculation of optical properties of 3D nanostructured composites. Optics Express, 18(21): 22119, octubre 11. http://dx.doi.org/10.1364/OE.18.022119

Nevard, J. y Joseph B. Keller. (1985). Reciprocal relations for effective conductivities of anisotropic media. Journal of Mathematical Physics, 26(11): 2761-65, noviembre 1. http://dx.doi.org/10.1063/1.526697

Ortiz, Guillermo P. et al. (2009). Effective optical response of metamaterials. Physical Review B, 79(24): 245132, junio 26. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.79.245132

PDL: Minuit -a PDL Interface to the Minuit librarymetacpan.org. (Consultado septiembre 2, 2019). https://metacpan.org/pod/PDL::Minuit

Pendry, J. B. (2000). Negative refraction makes a perfect lens. Physical Review Letters, 85(18): 3966-69, octubre 30. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.3966

Plum, E. et al. (2007). Giant optical gyrotropy due to electromagnetic coupling. Applied Physics Letters, 90(22): 223113, mayo 28. http://dx.doi.org/10.1063/1.2745203

Popov, A. K. y V. M. Shalaev. (2006). Negative-index metamaterials: second-harmonic generation, manley–rowe relations and parametric amplification. Applied Physics B, 84(1): 131-37, julio 1. http://dx.doi.org/10.1007/s00340-006-2167-4

Schaich, W. L. y A. Liebsch. (1988). Nonretarded hydrodynamic-model calculation of second-harmonic generation at a metal surface. Physical Review B, 37(11): 6187-92, abril 15. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.37.6187

Sergio G. Rodrigo, V. Laliena y L. Martín-Moreno. (2015). Second-harmonic generation from metallic arrays of rectangular holes. Journal of the Optical Society of America B, 32(1): 15, enero 1.

Smith, David R. et al. (2000). Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Physical Review Letters, 84(18): 4184-87, mayo 1. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4184

Smith, David R. y John B. Pendry. (2006). Homogenization of metamaterials by field averaging (invited paper). Journal of the Optical Society of America B, 23(3): 391, marzo 1. http://dx.doi.org/10.1364/JOSAB.23.000391

Sözüer, H. S., J. W. Haus y R. Inguva. (1992). Photonic bands: Convergence problems with the plane-wave method. Physical Review B, 45(24): 13962-72, junio 15. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.45.13962

Tao, Ruibao, Zhe Chen y Ping Sheng. (1990). First-principles Fourier approach for the calculation of the effective dielectric constant of periodic composites. Phys. Rev. B, 41(4): 2417-20, febrero 1. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.41.2417

Veselago, Viktor G. (1968). The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and μ. Soviet Physics Uspekhi, 10(4): 509. http://dx.doi.org/10.1070/PU1968v010n04ABEH003699

Publicado
2019-11-08
Cómo citar
Meza, U., Mendoza, B., & Mochán, W. (2019). Metamateriales nanoestructurados: avances en el cálculo de sus propiedades ópticas. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria En Nanociencias Y Nanotecnología, 13(24), 1e-18e. https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2020.25.69611