Marca de seguridad óptica que comprende metamateriales con respuesta magnética,

procedimiento de autentificación usando la marca y uso de la marca aplicada en un artículo.Marca de seguridad óptica aplicable en un objeto, que comprende una estructura de un metamaterial que genera una respuesta magnética ({mi}{sub,r}) a una radiación incidente con una longitud de onda ({la}) de acuerdo con un código específico de fórmula {mi}{sub,r}({la}) en la que {mi}{sub,r} es la permeabilidad magnética relativa del metamaterial y {la} es una longitud de onda de la radiación incidente con un valor comprendido entre 15 nm y 1100 nm, o un código específico de fórmula {la}({mi}{sub,r}), o combinaciones de tales códigos, comprendiendo la marca una primera dimensión transversal b{sub,x} en una primera extensión transversal del metamaterial y una segunda dimensión transversal b{sub,y} en una segunda extensión transversal del metamaterial, diferente a la primera dimensión transversal, siendo la primera dimensión transversal y la segunda dimensión transversal cada una al menos igual que la longitud de onda ({la}) de la radiación incidente

Marca de seguridad óptica que comprende metamateriales con respuesta magnética, procedimiento de autentificación usando la marca y uso de la marca aplicada en un artículo.

Campo técnico de la invención

La presente invención se encuadra en el campo técnico de los elementos de seguridad que permiten verificar la autenticidad de objetos provistos de tales elementos y, más concretamente, en el sector de los elementos de seguridad óptica basados en estructuras de metamateriales.

Antecedentes de la invención

Numerosos objetos de nuestra vida diaria incorporan dispositivos de seguridad óptica que confieren autenticidad al objeto. Por ejemplo, los billetes de banco contienen ciertas regiones que cambian de color a la vista al cambiar la posición desde la que los observamos o miramos. Estos dispositivos son generalmente estructuras planares que producen efectos en la luz incidente y que permiten identificar la veracidad de un objeto a simple vista. Sin embargo, pueden ser falsificados mediante el uso de estructuras similares o de otras menos sofisticadas que produzcan una respuesta similar tal que la falsificación no pueda ser identificada como tal a simple vista. Por tanto, un objetivo primordial de los dispositivos de seguridad óptica es que produzcan una respuesta óptica que evite su falsificación. Es decir, se debe crear una estructura cuya respuesta (o firma) óptica no pueda ser sintetizada por otros medios. Existen numerosas técnicas para producir este tipo de marcas de seguridad óptica, como la que, por ejemplo, se describe en la solicitud de patente estadounidense US-A-20030058491.

Por otro lado, los metamateriales se han convertido en uno de los temas científicos más relevantes en la actualidad. Para entender mejor las propiedades electromagnéticas básicas de los metamateriales consideremos en primer lugar cómo responden los medios naturales ante la radiación electromagnética. Cuando la radiación electromagnética incidente sobre un medio natural (por ejemplo, el cuarzo o el agua) tiene una longitud de onda mucho mayor que el tamaño de los átomos/moléculas (del orden de varios Armstrong) que lo componen, el medio presenta una respuesta efectiva que viene caracterizada por dos magnitudes físicas fundamentales: la permitividad eléctrica \varepsilon=\varepsilon_r\varepsilon₀ (\varepsilon_r es la permitividad relativa y \varepsilon₀ la permitividad del vacío), que modela la respuesta del medio al campo eléctrico; y la permeabilidad magnética μ=μ_rμ₀ (μ_r es la permeabilidad relativa y μ₀ la permeabilidad del vacío), que modela la respuesta del medio al campo magnético. A partir de estas magnitudes, las únicas propiedades del medio que aparecen en las ecuaciones de Maxwell, y que pueden ser números complejos, se definen el Índice de refracción del medio como n= (\varepsilon_rμ_r)^1/2 y la impedancia del medio como η= (μ/\varepsilon)^1/2. En la región de transparencia a frecuencias ópticas (por encima de 100 THz) de los medios dieléctricos, \varepsilon_r es un número real positivo mayor que 1 mientras que μ_r = 1 ya que los medios naturales no muestran actividad magnética a frecuencias ópticas. En el caso de los metales, por debajo de la frecuencia de plasma (situada generalmente en el visible o el ultravioleta), \varepsilon_r es un número negativo cuyo módulo crece de forma inversa a la frecuencia, y μ_r = 1.

Partiendo de tales materiales naturales con estas características electromagnéticas, es posible conseguir estructuras con ciertas propiedades o funcionalidades, como por ejemplo, guías de onda para llevar la luz de forma confinada entre dos puntos. Sin embargo, existe una limitación en cuanto a los valores de los parámetros n y η que se pueden conseguir, ya que un material natural no puede ser alterado en cuanto a su naturaleza física para conseguir variar sus propiedades electromagnéticas. Así, en cuanto al diseño de las estructuras, se está limitado a los valores de n y η de los materiales que se pueden obtener de la naturaleza. Por ejemplo, no existen materiales naturales con actividad magnética a frecuencias ópticas (μ_r ≠q 1). En este sentido, la capacidad de diseño está fuertemente limitada.

Por contra, un metamaterial es un medio artificial formado por meta-átomos de tamaño mucho menor (al menos en la dirección de propagación del campo electromagnético) que la longitud de onda λ de la radiación incidente y cuya respuesta electromagnética depende, no sólo de las propiedades electromagnéticas de los medios que los forman, sino de cómo están estructurados los mencionados meta-átomos. En general, dichos meta-átomos componen una estructura desordenada ó periódica con un cierto periodo a_i (i=x, y, z) en cada una de las direcciones del espacio, x, y, z. El tamaño de los meta-átomos es mucho mayor que el de un átomo o una molécula natural, siendo así mismo los periodos a_i mucho mayores que la distancia interatómica en sustancias naturales. Teóricamente, un metamaterial puede diseñarse de tal forma que presente cualquier valor imaginable de la permitividad eléctrica efectiva \varepsilon_r y de la permeabilidad magnética μ_r, desde infinito a cero, y valores tanto positivos como negativos. Consecuentemente, podemos obtener también cualquier valor imaginable de los parámetros n y η. Es decir, los metamateriales permiten sintetizar medios electromagnéticos "a la carta".

El origen de los metamateriales se encuentra en un artículo teórico publicado por el físico ruso V. Veselago hace más de 40 años [V. G. Veselago, "The electrodynamics of substances with simultaneously negative valúes of permittivity and permeability", Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968)]. En este documento, Veselago estudiaba las propiedades inversas de medios electromagnéticos ideales (en el sentido de ser homogéneos, isótropos y sin pérdidas) con la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética simultáneamente negativas, y se llegaba a la conclusión de que si ambas propiedades eran de signo negativo, también debía serlo el Índice de refracción n. Dado que en ese momento no existían materiales naturales o artificiales con estas propiedades (ya se han comentado anteriormente las propiedades electromagnéticas típicas de los metales y los dieléctricos, las sustancias más típicas en la naturaleza en cuanto a comportamiento electromagnético) este trabajo permaneció en el olvido durante más de 30 años, hasta que fue rescatado por el científico inglés Sir John Pendry.

La idea era desarrollar materiales artificiales (de ahí la denominación de metamateriales) cuyas respuestas eléctrica y magnética pudiesen ser diseñadas para producir cualquier valor imaginable. Primero, Pendry demostró que una red tridimensional de hilos metálicos tiene una respuesta plasmónica diluida, tal que la frecuencia de plasma (frecuencia a partir de la cual el medio es transparente) depende, no del metal con el que fabriquemos la red, sino de la periodicidad de la misma y del radio de los hilos [J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, and I. Youngs, "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures", Phys. Rev. Lett. 76, 4773 (1996)].Poco después, Pendry propuso que dos anillos metálicos cortados concéntricos tienen un comportamiento resonante a cierta frecuencia en la que la permeabilidad magnética efectiva experimenta un cambio muy brusco, llegando incluso a alcanzar valores negativos [J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robins, and W. J. Stewart, "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena", IEEE Trans. Microwave Theory Technol. 47, 2075 (1999)]. Mezclando ambas estructuras, en 2001 se realizó la primera demostración experimental a frecuencias de microondas del fenómeno de refracción negativa usando un metamaterial con \varepsilon_r, μ_r < 0 simultáneamente [R. A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz, "Experimental Verification of a Negative Index of Refraction", Science 292, 77-79 (2002)]. En general, puede decirse que se fabricó el primer metamaterial que presentaba un Indice de refracción n diseñado a la carta e imposible de conseguir con medios naturales.

En el régimen de las microondas los periodos a_i es del orden de los centímetros o milímetros. Por las propiedades de escalado de las ecuaciones de Maxwell, cabe pensar que disminuyendo esos periodos...

1. Una marca de seguridad óptica aplicable en al menos una parte de un objeto, que comprende al menos una estructura comprendida por al menos un metamaterial compuesto por una pluralidad de meta-átomos que forman una estructura, y que tiene dimensiones transversales en el plano sobre el que se sitúan los meta-átomos, definidas por la fórmula

(b_x, b_y)

en la que:

b_x una primera dimensión transversal en una primera extensión transversal del metamaterial

b_y una segunda dimensión transversal en una segunda extensión transversal del metamaterial, diferente a la primera dimensión transversal,

caracterizada porque

el metamaterial está seleccionado entre metamateriales que generan respuestas magnéticas con una permeabilidad magnética relativa (μ_r) diferente de 1 a al menos una radiación incidente (I) seleccionada entre radiación incidente con incidencia normal o con incidencia oblicua y con al menos una longitud de onda (λ) en el espectro ultravioleta a infrarrojo cercano en el rango de 0,15 micrómetros a 1,1 micrómetros,

dicha respuesta magnética produce una firma espectral cuando al menos una parte del metamaterial se somete a dicha radiación incidente (I) de la mencionada longitud de onda o a longitudes de onda pertenecientes a un mismo rango, de forma que dicha firma espectral corresponde a, al menos, un código específico asignado a dicho metamaterial, siendo dicho código específico: el valor de la permeabilidad magnética relativa a la longitud de onda (λ) de la radiación incidente (I) de acuerdo con la fórmula

μ_r(λ)

en la que μ_r es la permeabilidad magnética relativa y (λ) es la longitud de onda de la radiación incidente,

ó el valor de la longitud de onda (λ) en la que el metamaterial presenta una determinada permeabilidad magnética relativa (μ_r) de acuerdo con la fórmula

λ(μ_r)

en la que λ y μ_r tienen los significados más arriba indicados, y

combinaciones de al menos un código específico de permeabilidad y al menos un código específico de longitud de onda (λ),

y porque dicha primera dimensión transversal y dicha segunda dimensión transversal son cada una al menos igual que la longitud de onda (λ) de la radiación incidente.

2. Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 1, caracterizada porque al menos parte de los meta-átomos forma una estructura periódica y porque las dimensiones de dicha estructura están definidas por las fórmulas

b_x = N_xa_x

en la que N_x es el número de meta-átomos en la primera extensión transversal y a_x es la periodicidad de los meta-átomos en dicha primera extensión transversal; y

b_y = N_ya_y

en la que N_y es el número de meta-átomos en la segunda extensión transversal y a_y es la periodicidad de los meta-átomos en dicha segunda extensión transversal.

3. Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 1 caracterizada porque al menos parte de los meta-átomos forma una estructura aperiódica contenida en un rectángulo mínimo con dichas dimensiones transversales (b_x, b_y), situado en el plano sobre el que se disponen los meta-átomos, que encierra a dicha parte de los meta-átomos.

4. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en la que la pluralidad de meta-átomos presenta dimensiones

b_x, b_y, b_z

en la que

b_x, b_y son dichas dimensiones transversales, y

b_z es una dimensión vertical perpendicular a dichas extensiones transversales (b_x, b_y) correspondiente al grosor de dicha pluralidad de meta-átomos.

5. Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 4, caracterizada porque en la marca al menos parte de los meta-átomos forma una estructura periódica, en la que dicha dimensión vertical está definida por la fórmula:

b_z = N_za_z

en la que N_z es un número seleccionado entre el número de meta-átomos en la dimensión vertical y el número de capas que forman el metamaterial y a_z es la periodicidad de los meta-átomos en dicha dimensión vertical.

6. Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 4, caracterizada porque en la marca al menos parte de los meta-átomos forma una estructura aperiódica, en la que dichas dimensiones transversales y dicha dimensión vertical (b_x, b_y, b_z) definen un prisma rectangular mínimo que encierra a todos los meta-átomos que forman dicha parte de la marca.

7. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque el número de meta-átomos (N_x) en dicha primera extensión transversal y el número de meta-átomos en dicha segunda extensión transversal (N_y) tienen cada uno un valor al menos mayor que 3, preferentemente mayor que 10.

8. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque

comprende una pluralidad de estructuras de meta-átomos de las que cada una tiene un código especifico y que están ordenadas lógicamente en forma de matriz con un número de filas (L) y un número de columnas M, de forma que cada una de las mencionadas estructuras es un elemento de dicha matriz, estando el elemento perteneciente a la fila 1 y a la columna (m) identificado por la dupla (l,m), de manera que cada fila tiene un número M de elementos, pudiendo tener la última fila de la matriz un número de elementos inferior a M de forma que el número total de estructuras de la matriz pueda tomar cualquier valor natural, y

cada estructura o elemento (l,m) tiene un valor μ_rl,m(λ) de permeabilidad magnética relativa.

9. Una marca de seguridad según la reivindicación 8, caracterizada porque los valores μ_rl,m de permeabilidad magnética de las estructuras de meta-átomos definen un código matricial, seleccionado entre:

al menos un código matricial de permeabilidad magnética relativa en que el valor μ_rl,m de permeabilidad magnética relativa de cada elemento de la matriz está unívocamente relacionado con el valor del código de dicho elemento según la fórmula

μ_rl,m(λ)

en la que

1≤ql≤qL y 1≤qm≤qM,

l es un número natural comprendido entre 1 y L,

L es el número de filas de la matriz cuyos elementos son las estructuras de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m),

m es un número natural comprendido entre 1 y M, y

M es el número de columnas de la matriz cuyos elementos son las estructuras de dimensiones b_x(l,m), b_y(l,m);

al menos un código matricial de longitud de onda determinado unívocamente a partir de la longitud de onda a la que cada elemento de la matriz (5) genera un determinado valor de permeabilidad magnética relativa μ_rl,m, perteneciente a un determinado rango de valores esperado, en lugar de por el valor concreto de la permeabilidad magnética relativa μ_rl,m a una determinada longitud de onda, estando definido dicho código específico conjunto por la fórmula

λ_l,m(μ_r)

en la que λ, l, m y μ_r tienen los significados antes definidos; y

al menos un código matricial combinado basado en una combinación de un código específico conjunto de permeabilidad magnética relativa y un código específico conjunto de longitud de onda.

10. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizada porque en la matriz (5), al menos una de las dimensiones (b_x, b_y, b_z) de al menos una estructura es distinta a la de otras estructuras.

11. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizada porque en la matriz (5), al menos una estructura comprende un número de meta-átomos (N_x, N_y, N_z) distinto al de otras estructuras.

12. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizada porque, en la matriz (5), la periodicidad (a_x, a_y, a_z) de los meta-átomos de al menos una estructura es distinta a la de otras estructuras.

13. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda (λ) en el espectro de 0,78 micrómetros a 1,1 micrómetros de la radiación incidente.

14. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda (λ) en el espectro de 0,38 micrómetros a 0,78 micrómetros de la radiación incidente.

15. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está diseñada para dar una respuesta de permeabilidad magnética a al menos una longitud de onda de 15 nanómetros a 380 nanómetros de la radiación incidente.

16. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos una parte de las estructuras de meta-átomos está comprendida por al menos un metamaterial seleccionado entre meta-átomos de metales, meta-átomos de materiales dieléctricos y combinaciones de tales meta-átomos.

17. Una marca de seguridad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos una parte de de las estructuras de meta-átomos está comprendida por meta-átomos de un metal noble.

18. Una marca de seguridad óptica según la reivindicación 17, caracterizada porque el metal noble es plata.

19. Un procedimiento de autentificación de la marca de seguridad definida en la reivindicación 1, caracterizado porque comprende

- someter a al menos parte de la marca de seguridad a una radiación incidente con al menos una longitud de onda o rango de longitudes de onda (λ), con valores comprendidos entre 150 nm y 1100 nm;

- determinar la permeabilidad magnética relativa (μ_r) de la marca de seguridad en respuesta a dicha radiación incidente a la longitud o longitudes de onda necesarias para obtener el valor de al menos un código medido seleccionado entre

un código medido de permeabilidad magnética correspondiente a al menos un valor de la permeabilidad magnética relativa a la longitud de onda (λ) de la radiación incidente (I) de acuerdo a la fórmula μ_r(λ) en la que λ y μ_r tienen los significados más arriba indicados, y

un código medido de longitud de onda correspondiente a la permeabilidad magnética relativa (μ_r) resultante de cuando la marca se somete a la radiación incidente con una longitud de onda (λ) de acuerdo a la fórmula λ(μ_r) en la que λ y μ_r tienen los significados más arriba indicados,

- comparar dicho código medido con al menos un código especifico asignado a la marca de seguridad

- descartar la autenticidad de la marca de seguridad cuando el valor del código medido en respuesta a dicha radiación incidente no coincide con el código esperado;

- aceptar la autenticidad de la marca de seguridad cuando el valor del código medido en respuesta a dicha radiación incidente coincide con el código esperado.

20. Procedimiento de autentificación según la reivindicación 19, caracterizado porque se realiza para cada estructura de metamaterial de la que se compone la marca de seguridad.

21. Uso de una marca de seguridad como la que se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque la marca de seguridad se aplica en un artículo.