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Graphene Based Active Metamaterials

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Metamateriales de grafeno controlan la velocidad de propagación de la luz

Unos investigadores europeos estudiaron metamateriales básicos que poseen una quiralidad extrema y desarrollaron un polarizador de grafeno activo controlable eléctricamente. Además, demostraron experimentalmente que una nueva clase de estructuras bicapa de metamateriales pueden mejorar significativamente la actividad óptica a través de un acoplamiento intermolecular robusto entre metamoléculas adyacentes con quiralidad planar.

Investigación fundamental

Los metamateriales están constituidos por un conjunto de múltiples elementos formados a partir de materiales compuestos que exhiben unas propiedades ópticas únicas que no existen en la naturaleza. El proyecto financiado por la Unión Europea GRAB-A-META (Graphene based active metamaterials) empleó la tecnología basada en metamateriales de grafeno para lograr un control activo de las propiedades ópticas, incluyendo la polarización y la velocidad de propagación de la luz. Las propiedades electromagnéticas de estos materiales construidos artificialmente pueden ser determinadas mediante el diseño de estructuras metálicas a una escala de sublongitud de onda, llamadas metaátomos, a fin de proporcionarles unas características físicas poco comunes, incluyendo un índice de refracción negativo, una quiralidad extrema y una transparencia inducida electromagnéticamente (EIT). El sistema basado en metamateriales constituyó una plataforma flexible, autónoma y muy fina capaz de un control eléctrico total. Este no solo permitió el control de nuevas propiedades ópticas, sino que además ayudó a salvar la mayoría de las limitaciones de los actuales metamateriales basados en semiconductores. Los investigadores estudiaron materiales quirales combinados con grafeno monocapa activo. Los resultados revelaron que la transmisión de una onda en el rango de los terahercios (THz) con una polarización circular puede controlarse eléctricamente sin afectar a la de la otra polarización circular. Esto condujo a unos índices de modulación extraordinariamente grandes con una baja tensión de umbral. El equipo también demostró que los procesos de memoria de polarización con un tiempo de retención de diez años eran posibles. Esto se logró mediante la hibridación del grafeno con un material ferroeléctrico y metamateriales quirales. Gracias al control eléctrico de la polarización, los metamateriales quirales de grafeno podrían emplearse en diferentes aplicaciones en el campo de las tecnologías THz. Estas incluyen moduladores de polarización activa ultracompactos para telecomunicación así como dispositivos de imagen y sensores ultrasensibles para la identificación de la quiralidad y la estructura de macromoléculas. También se desarrollaron dispositivos de luz lenta con metamateriales EIT a base de grafeno activo que pueden controlar la velocidad de propagación de la luz a través de tensiones de umbral. El análisis teórico señaló que este cambio activo de EIT se debe a la supresión de la pérdida disipativa del resonador radiativo mediante el ajuste eléctrico de la conductividad de la capa de grafeno integrada. El trabajo de GRAB-A-META sobre la modificación eléctricamente activa de metamateriales con EIT podría allanar el camino para el diseño de dispositivos activos de luz lenta, sensores ultrasensibles y dispositivos no lineales.

Palabras clave

Grafeno, metamateriales, quiralidad, GRAB-A-META, transparencia inducida electromagnéticamente

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