Materiais Avançados

Criado material com índice negativo de refração para a luz visível

Metamaterial com índice negativo de refração opera na luz visível
Usando matrizes de guias de ondas plasmônicas, os cientistas tornaram o material usado nos "mantos de invisibilidade" capaz de operar na faixa visível do espectro. [Imagem: Caltech/Stanley Burgos]

Um grupo de cientistas liderado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, construiu o primeiro metamaterial que apresenta índice negativo de refração para a luz visível.

Um metamaterial é um material óptico artificial, tridimensional, formado por pequenas estruturas menores do que o comprimento de onda da luz, o que lhe dá propriedades e comportamentos que não são encontrados em materiais naturais.

Índice negativo de refração

Um índice negativo de refração significa que, ao incidir sobre o metamaterial, a luz se curva para o lado "errado" em relação ao que acontece nos materiais naturais. Este é o fenômeno que está por trás dos mantos de invisibilidade e que possui uma grande gama de possíveis aplicações tecnológicas.

Este novo tipo de metamaterial com índice negativo de refração (NIM: negative-index metamaterial) é mais simples do que os já construídos até agora e que operam em outros comprimentos de onda.

Além de necessitar de uma única camada funcional, o metamaterial 3D é também mais versátil, na medida que consegue lidar com qualquer polarização e funciona mesmo que o ângulo de incidência da luz varie largamente.

Material canhoto

O novo material artificial opera na parte azul do espectro visível, tornando-se "o primeiro metamaterial de índice negativo a operar nas frequências visíveis", garante Stanley Burgos, responsável pela construção do novo "material canhoto".

"A fonte da resposta 'canhota' do nosso material é fundamentalmente diferente dos designs dos metamateriais negativos anteriores," explica Harry Atwater, coordenador do estudo.

Até agora, os cientistas vinham usando várias camadas de elementos de ressonância para refratar a luz de maneira invertida.

Mas a nova versão é composta de uma única camada de prata permeada por elementos fundamentais que são "guias de ondas plasmônicas acoplados".

Guias de ondas plasmônicas

Plasmons de superfície são ondas de luz acopladas a ondas de elétrons, que surgem na interface entre um metal e um dielétrico, um material não-condutor, como o ar.

Guias de ondas plasmônicas são estruturas que conseguem dirigir essas ondas acopladas ao longo de um material.

Além de ser mais fácil de fabricar, o novo metamaterial pode ter seu índice negativo de resposta ajustado por meio da alteração dos materiais usados na sua fabricação ou da geometria dos guias de onda.

Isto permite que ele seja fabricado para apresentar o índice de refração negativo para vários comprimentos de onda da luz (cores), para qualquer ângulo de incidência e para luz de qualquer polarização.

"É possível desenvolver um material com um índice de refração quase isotópico, ajustado para operar nas frequências visíveis," diz o pesquisador.

Essa versatilidade é importante para que o metamaterial deixe de ser uma curiosidade científica e gere aplicações práticas.

Superlentes e células solares

Para Atwater, um metamaterial com índice negativo de refração na faixa visível terá usos não apenas nos dispositivos de invisibilidade, mas também nas chamadas superlentes, que permitem a geração de imagens além do limite de difração, e na melhoria da capacidade das células solares em captar os fótons.

E ele é particularmente adequado para uso nas células solares. "Pelo fato de nosso design ser ajustável, nós podemos potencialmente ajustar seu índice de resposta para casar melhor com o espectro solar, permitindo o desenvolvimento de metamateriais com grande largura de banda e grandes ângulos de incidência que poderão aumentar a captação de luz nas células solares," explica Atwater.

"E o fato de que o metamaterial tem uma característica de grande angular é importante porque isso significa que ele pode captar a luz que vem de vários ângulos. No caso das células solares, isso significa mais luz captada e menos luz refletida e desperdiçada," conclui ele.

Bibliografia:

A single-layer wide-angle negative-index metamaterial at visible frequencies
Stanley P. Burgos, Rene de Waele, Albert Polman, Harry A. Atwater
Nature Materials
18 April 2010
Vol.: 9, 407 - 412 (2010)
DOI: 10.1038/nmat2747




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