Geometria

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3568 (2022) Citar este artigo

3776 Acessos

4 Citações

13 Altmétrica

Detalhes das métricas

É bem conhecido que a radiação eletromagnética de elementos radiantes (por exemplo, antenas, aberturas, etc.) mostra dependência da forma geométrica do elemento em termos de frequências de operação. Este princípio básico é onipresente no projeto de radiadores em múltiplas aplicações, desde micro-ondas até óptica e plasmônica. O surgimento da mídia epsilon-quase-zero excepcionalmente permite um comprimento de onda infinito de ondas eletromagnéticas, manifestando dinâmicas de ondas espacialmente estáticas exóticas que não dependem da geometria. Neste trabalho, analisamos teoricamente e verificamos experimentalmente tais características independentes de geometria para radiação, apresentando assim uma nova classe de ressonadores radiantes, ou seja, antenas, com uma frequência de operação irrelevante para a forma da geometria enquanto determinada apenas pelas dispersões do material hospedeiro. Apesar de ser traduzida em diferentes formas e topologias, a antena epsilon-quase-zero projetada ressoa na mesma frequência, enquanto exibe padrões de radiação de campo distante muito diferentes, com feixes variando de largo a estreito, ou mesmo de único a múltiplo. Além disso, a técnica de dopagem fotônica é empregada para facilitar a radiação de alta eficiência. A radiação independente da geometria determinada pelo material pode levar a inúmeras aplicações em design e fabricação flexíveis para comunicações sem fio, detecção e engenharia de frente de onda.

A radiação de campos eletromagnéticos tem sido um tópico fundamental na física e na engenharia por muitas décadas e levou a aplicações essenciais em vários campos, como comunicações sem fio1, sensoriamento remoto2,3, transmissão de energia sem fio4,5, para citar alguns. Um ressonador com acoplamento ao espaço livre (como uma cavidade aberta) pode vazar o campo confinado na ressonância para a onda de radiação externa. Tal processo é um fenômeno onde o recurso de geometria (isto é, tamanho e forma) determina o recurso de frequência. Esta dependência pode ser entendida de forma equivalente a partir das perspectivas dos automodos do ressonador radiante, onde a frequência de ressonância é usualmente determinada pelo seu tamanho e geometria6. Um exemplo bastante conhecido é a antena dipolo7,8,9, amplamente adotada em micro-ondas e nano-óptica, cuja frequência de operação está diretamente relacionada ao comprimento de seus braços. A cavidade de Fabry-Perot10,11, como outro caso familiar, ressoa e gera laser apenas se seu comprimento for um múltiplo inteiro da metade do comprimento de onda no meio.

Uma vez que tal "dependência de geometria" é difundida em fenômenos de radiação, ressonadores de cavidade radiante com frequência operacional independente da geometria, se existirem, representariam uma classe qualitativamente diferente de radiadores. Isso introduziria graus de liberdade valiosos para adaptar o padrão de radiação de campo distante de um ressonador por meio do controle de sua geometria ou da distribuição espacial das aberturas radiantes, mantendo a frequência operacional (ressonante) inalterada. Isso é contrário à nossa intuição usual em dinâmica de ondas, onde a distribuição espacial do modo eletromagnético de um ressonador é descrita pelo comprimento de onda λ no meio, que por sua vez está relacionado à frequência de oscilação f de campos eletromagnéticos pela restrição fundamental fλ = c/n onde n é o índice de refração do meio que preenche aquele ressonador. Para quebrar o limite do tamanho mínimo de uma cavidade ressonante para meio comprimento de onda, os pesquisadores propuseram uma cavidade óptica baseada em metamateriais hiperbólicos e alcançaram uma ressonância independente do tamanho em uma geometria miniaturizada12. Devido ao seu pequeno tamanho e aos grandes números de onda em metamateriais hiperbólicos, a cavidade não funciona naturalmente como um radiador eficiente. Portanto, realizar tal radiador independente de geometria ainda é um desafio.