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Metamateriais - Novas Perspectivas para a Eletrônica (ART689)

O desenvolvimento tecnológicos dos materiais tem sido fantásticos. Um dos maiores avanços de nossos tempos está na criação de materiais com propriedades ópticas que abrem as portas para novas tecnologias na optoeletrônica e na mais recente das ciências relacionadas com o comportamento da luz e de ondas eletromagnéticas: a plasmônica. Os metamateriais, até há pouco tempo considerados existentes apenas na imaginação das cientistas, começam hoje a se tornar realidade, podendo fazer partes dos chips dos computadores e de muitos equipamentos do futuro. Veja nesse artigo o que são os metamateriais e para que servem.

Novas tecnologias são antes discutidas nos corredores dos grandes centros de pesquisas antes de passarem aos laboratórios e finalmente, quando desenvolvidas se tornarem parte de equipamentos que usamos no dia a dia.

Quando utilizamos telefones celulares, computadores, DVDs e outros equipamentos de alta tecnologia não nos damos ao trabalho de pensar em quanto tempo de discussões, trabalhos teóricos e depois práticos foram gastos antes de que eles se tornasse realidade.

No dia a dia também não nos preocupamos muito no que está sendo agora discutido nesses centros, e quando as notícias sobre novos produtos e novas tecnologias aparecem, elas sempre causam surpresas.

Esse é o caso dos metamateriais, que devem encontrar uma ampla gama de aplicações numa outra ciência emergente que é a plasmônica.

 

O que são os Metamateriais

Para entender o que são esses fantásticos materiais, voltemos no tempo, até aproximadamente 40 anos atrás quando o cientista V. G. Veselago trabalhava no estudo das propriedades de substâncias com simetria de mão-esquerda.

Lembrando os velhos tempos da química, sabemos que existem substâncias que possuem a mesma fórmula química, mas estruturalmente são diferentes, da mesma forma que a mão direita é diferente da mão esquerda. Essas substâncias, por esse motivo apresentam propriedades ópticas diferentes, através das quais podem ser detectadas.

Na figura 1 temos duas moléculas com a mesma fórmula mas diferentes na disposição espacial, como se fossem objeto e a imagem refletida num espelho.

 

Figura 1
Figura 1

 

Nesses estudos o pesquisador concluiu que seria possível obter substâncias com índice de refração negativo. Voltando à física do nível médio podemos explicar melhor o que ocorre.

Quando um raio de luz passa de um meio de certa densidade para outro de densidade diferente, ele sofre um desvio que é dado pelo índice de refração existente entre os dois meios, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

O índice de refração é dado pela relação entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração, sendo sempre um número positivo.

Segundo o pesquisador Veselago, se o material apresentar valores negativos tanto para permeabilidade elétrica quanto para a permeabilidade magnética, o índice de refração será negativo e se desviará, com uma trajetória conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Na prática é difícil imaginar o que ocorre se não utilizarmos um experimento bastante conhecido dos estudantes de óptica do nível médio. Quando enfiamos um lápis num copo com água ele parece " quebrado" devido ao indice de refração da água maior do que o do ar.

No entanto, se imaginarmos uma substãncia que tenha um índice negativo de refração, os efeitos serão estranhos. A figura 4 mostra o que ocorre nesse caso, o que aparentemente seria uma contradição para as leis da física, especificamente a lei de Snell, mas isso não ocorre se fizermos um exame profundo do fenômeno.

 

Figura 4
Figura 4

 

O que ocorre é que na prática as substâncias comuns apresenta uma resposta magnética muito baixa às freqüências ópticas, o que significa que suas propriedades são determinadas basicamente pela permissividade elétrica. Isso fez com que o trabalho de Veselago fosse apenas citado como uma curiosidade acadêmica.

 

Um passo além

As coisas começaram a mudar, entretanto, com o trabalho do Prof. J. B. Pendry que propunha a utilização de metamateriais para se obter uma permeabilidade magnética.

Materiais artificiais com constantes de rede cristalina muito menor do que o comprimento de onda da radiação luminosa que recebem foram criados. Assim, a luz "vê" esses materiais como estruturas homogêneas. No entanto, os átomos não são reais, mas estruturas artificiais que se comportam como ressonadores.

Com um projeto bem feito dessas estruturas é possível fazer com que elas se comportem como uma substância natural com propriedades tais como a permeabilidade magnética negativa. Os metamateriais podem então ser usados em dispositivos fotônicos e plasmônicos de uma forma totalmente inédita.

 

O que fazer com materiais com índices de refração negativos

Em princípio pode parecer difícil para o profissional comum da eletrônica entender o que se pode fazer com um material que refrate a luz " ao contrário" , como ocorre com os metamateriais.

No entanto, se conseguirmos criar nanosestruturas de metal que tenham essas características e elas forem dimensionadas para serem ressonantes a certas freqüências já teremos aplicações práticas possíveis.

Uma idéia é o que se denomina de Split-Ring Resonator (SSR) que consistem em nanoestruturas que, pelo seu formato se comportam como osciladores LC (bobina+capacitor), conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

Um metamaterial seria formado por uma grande quantidade desses ressonadores que operariam na freqüência da luz incidente. Nessa freqüência, devido à ressonância, a premeabilidade efetiva do dispositivo seria negativo e o conjunto apresentaria um índice de refração negativo.

Outra possibilidade que pode ser considerada como uma análoga consiste em se criar dipolos com fios muito curtos no material. Esses dipolos ressonaria na freqüência da luz incidente e o conjunto apresentaria um índice de refração negativo.

Pode-se combinar as duas tecnologias, de fios e SSRs e com isso obter materiais com índices negativos de refração.

 

Criando os Primeiros Metamateriais

Em 2001, o pesquisador V. G. Veselago, finalmente conseguiu criar um material que apresentava as propriedades previstas nas pesquisas. O material apresentava índice de refração negativo na faixa das microondas, sendo formado por um prisma com dois conjuntos de tiras de cobres e um conjunto de SSRs.

Atualmente, as pesquisas mais intensas estão dirigidas para a criação de metamateriais nas freqüências ópticas. Para ter as propriedades esperadas na faixa do infravermelho-próximo e ainda na parte visível do espectro, a resolução espacial exigida para a montagem do dispositivo deve ser de menos de 50 nanômetros.

Além disso, como os dispositivos devem ser obtidos em grande quantidade, a tecnologia empregada deve ter uma grande capacidade de reprodução das estruturas.

A técnica que está sendo usada para essa finalidade é da litografia por feixe de elétrons. Com essa tecnologia é possível fabricar nanoestruturas planares capazes de apresentar as propriedades desejadas. Pesquisadores americanos conseguiram criar metamateriais com uma resposta magnética na faixa de 100 THz a 300 THz (1 THz - terahertz = 1 000 GHz).

Na figura 6 mostramos a seqüência de operações usada na produção de metamateriais através da litografia por feixe de elétrons.

 

Figura 6
Figura 6

 

Essa faixa de freqüências corresponde a comprimentos de onda de 1 um a 3 um.

 

Aplicações no Futuro

Um dos sonhos de muitos autores de ficção científica e mesmo de muitos leitores que pensam numa invenção milionária é a roupa que tornaria uma pessoa invisível.

Pois, bem com os metamateriais, que apresentam índices de refração negativos, esse sonho começa a tomar um aspecto que o torna altamente provável no futuro. A idéia seria dotar a roupa de microcilíndros de metamateriais capazes de fazer a luz contornar o corpo e sair do outro lado, como se nada houvesse no percurso. Isso o tornaria absolutamente transparente e portanto invisível.

Um espelho magnético absoluto, ou seja, com índice de reflexão de 100% seria outra possibilidade já testada em laboratório. Construído com nanoestrutura numa superfície metálica ele funciona invertendo o campo magnético de uma onda luminosa incidente, funcionando como um "supercondutor óptico" .

Ressonadores de BaTiO3 (óxido de titânio e bário) já foram usados como chaves eletrônica em linhas de transmissão, roteadores e filtros para microondas.

Outra possibilidade, em estudos por diversos centros de pesquisas, consiste na construção de lentes quase perfeitas de modo barato e simples. Essas microlentes poderiam focalizar muito melhor os feixes de Laser de DVDs possibilitando assim a leitura de pontos muito menores, com um notável aumento da capacidade de armazenamento.

Enfim, o que pode vir no futuro com o uso dos metamateriais na eletrônica e plasmônica é algo que só o tempo e as fantásticas descobertas porvir podem dizer.

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