Metamateriais de índice zero abrem portas para o futuro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/03/2024

Esquema do metamaterial eletromagnético de índice de refração zero.
[Imagem: Yueyang Liu et al. - 10.1186/s43593-023-00059-x]

Metamateriais eletromagnéticos

No campo da ciência dos materiais, os metamateriais eletromagnéticos surgiram como uma classe revolucionária de compósitos projetados, capazes de manipular ondas eletromagnéticas de maneiras nunca antes possíveis, como nenhum material natural consegue. Ao contrário dos materiais naturais, cujas propriedades dependem de sua composição química, os metamateriais eletromagnéticos derivam suas propriedades extraordinárias dos seus arranjos estruturais, o que lhes permite apresentar características eletromagnéticas inatingíveis nos materiais convencionais.

Uma das características mais fascinantes desses materiais artificiais é apresentada por uma classe específica deles, os chamados metamateriais de índice zero (MIZs) - enquanto os materiais naturais tipicamente apresentam índice de refração positivo, os metamateriais podem ter índice de refração negativo ou zero.

Os MIZs possuem a notável capacidade de gerar uma distribuição uniforme do campo eletromagnético - seja luz visível ou micro-ondas, por exemplo - em formatos arbitrários. Esta propriedade única abre muitas aplicações potenciais, desde dispositivos de camuflagem ultracompactos até guias de onda, lentes de formato arbitrário e lasers emissores de superfície de cristal fotônico.

Apesar desse imenso potencial, contudo, os MIZs têm enfrentado um obstáculo significativo na sua implementação prática: A homogeneidade dos MIZs é frequentemente limitada pelo número de células unitárias, ou meta-átomos, por comprimento de onda no espaço livre. Esta limitação surge da propriedade de baixas permissividades dos materiais utilizados para construir os MIZs. Como resultado, os metamateriais eletromagnéticos de índice zero geralmente requerem grande espaço físico para atingir suas propriedades eletromagnéticas efetivas - eles ficam grandes demais para serem práticos.

Ou, ao menos isso era assim até agora.

Antena construída com o novo metamaterial atingiu um rendimento próximo ao nível teórico máximo.
[Imagem: Yueyang Liu et al. - 10.1186/s43593-023-00059-x]

Metamateriais de índice zero práticos

Yueyang Liu e colegas da Universidade Tsinghua, na China, acabam de superar esse desafio de longa data desenvolvendo um MIZ altamente homogêneo usando uma nova combinação de materiais de alta permissividade - a capacidade de se polarizar em resposta a um campo elétrico.

Os meta-átomos usados são pilares cerâmicos (SrTiO₃) embutidos em uma matriz de fundo (BaTiO₃), uma combinação que permitiu aumentar em mais de três vezes o nível de homogeneização, além de reduzir significativamente as dimensões físicas do metamaterial.

Tirando proveito da distribuição uniforme da fase do campo eletromagnético ao longo de todo o metamaterial, os pesquisadores usaram-no para construir uma antena de alta direcionalidade. Ao incorporar o MIZ em um guia de ondas metálico, a antena aproximou-se da limitação fundamental da direcionalidade de uma antena, já que o tamanho da abertura varia desde o regime de subcomprimento de onda até uma escala muito grande.

Esta inovação abre caminho para uma nova era de dispositivos, oferecendo desempenho e tamanho compacto sem precedentes. Os ganhos deverão atingir uma ampla gama de campos, incluindo comunicações sem fio, sensoriamento remoto e sistemas de posicionamento global. Isso para não falar, é claro, nos mantos de invisibilidade e sistemas de camuflagens dos mais diversos tipos de ondas - diz-se que os metamateriais com índice zero fazem o milagre da multiplicação da luz.

Mas a equipe acredita que dá para ir além, avançando rumo a guias de onda ultracompactos, para fotônica e computação com luz, e até aplicações mais futurísticas na computação quântica com qubits supercondutores.

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