La invención consiste en un dispositivo para demostrar experimentalmente el fenómeno de la refracción negativa de microondas.

El dispositivo comprende dos prismas, uno con índice de refracción positivo (6) y otro con índice negativo (5) a la frecuencia de microondas, un soporte dieléctrico (4) para alojar los prismas y dos antenas de microondas, emisora (1) y receptora (3), de tipo bocina.

El prisma con índice negativo (5) consiste en una serie de capas apiladas, cada una formada por dos planos metálicos (11) entre los que se insertan al menos dos capas de material dieléctrico (9) y al menos una lámina de dieléctrico sobre la que está grabada una red periódica bidimensional (10) de resonadores del tipo anillo metálico abierto.

El dispositivo es de especial aplicación en la enseñanza de los metamateriales en el ámbito docente.

Dispositivo para la demostración experimental de la refracción negativa a la frecuencia de microondas orientado a la enseñanza de los metamateriales.

Antecedentes de la invención

La Ley de Refracción o Ley de Snell de la Óptica clásica establece que si una onda electromagnética incide en la interfase de separación de dos medios ordinarios (con permitividad dieléctrica \varepsilon y permeabilidad magnética μ ambas positivas) de distinto índice de refracción con un cierto ángulo (ángulo de incidencia) medido desde la normal a la interfase, el ángulo con el que sale la onda refractada (ángulo de refracción) siempre se mide desde el otro lado de la normal.

En 1967, el físico ruso Víctor Veselago estudió teóricamente la electrodinámica de los medios con \varepsilon y μ ambas negativas simultáneamente (\varepsilon<0 y μ<0) y mostró que en la interfase de separación entre un medio tal y un medio ordinario, los ángulos de incidencia y refracción se hallan al mismo lado de la normal, lo que equivale a decir que el ángulo de refracción es negativo. Veselago introdujo el concepto de refracción negativa para referirse a este fenómeno e introdujo también el término de medio "zurdo" (left-handed en inglés) con índice de refracción negativo para referirse a los medios con \varepsilon<0 y μ<0, en contraposición a los medios ordinarios o "diestros" (rigth-handed en inglés) donde \varepsilon>0 y μ>0 y el índice de refracción es positivo.

La primera demostración experimental del fenómeno de la refracción negativa no se realizó hasta transcurridos unos 30 años después y de la mano del grupo del Prof. David Smith, que en el 2000 implemento un medio "zurdo" mediante un arreglo de hilos metálicos (que proporcionaban \varepsilon<0) y resonadores de anillos metálicos abiertos (que proporcionaban μ<0) que operaban a la frecuencia de microondas.

Desde entonces hasta hoy, el estudio de las distintas propiedades de los medios "zurdos" ha sido objeto de investigación en un elevado número de publicaciones científicas y se ha acuñado el término de "metamaterial" para hacer referencia a estos medios. A raíz de la investigación exhaustiva de sus propiedades, se han editado libros de texto dedicados a la enseñanza de las mismas en el ámbito universitario. Sin embargo, hasta este momento no había disponible ningún montaje experimental destinado a la demostración práctica en el ámbito docente de la principal propiedad de los medios "zurdos", la refracción negativa.

Descripción de la invención

La presente invención consiste precisamente en un dispositivo para la demostración experimental del fenómeno de la refracción negativa a la frecuencia de microondas orientado a la enseñanza de los metamateriales. El objetivo de la demostración es constatar la desviación negativa que experimenta un haz de microondas al atravesar un prisma fabricado a partir de un medio "zurdo". En el procedimiento experimental se fija un ángulo de incidencia y se mide el ángulo de refracción resultante. Se comparan los ángulos de refracción que se obtienen al medir el prisma de material "zurdo" y un prima de material ordinario o "diestro" como el PVC o el polietileno, observándose que se obtiene un ángulo negativo para el prisma "zurdo" y un ángulo positivo para el prisma ordinario o "diestro". El haz de microondas incidente se genera con una antena emisora de microondas tipo bocina. El ángulo refractado se determina midiendo el haz refractado con otra bocina receptora. Conocido el ángulo incidente y el refractado, es posible deducir el valor del índice de refracción para la frecuencia de trabajo del medio estudiado simplemente aplicando la ley de Snell. Como se ha mencionado, el medio "zurdo" fabricado por Smith consiste en una red tridimensional de hilos metálicos que proporcionan una \varepsilon<0 isótropa, esto es, en las tres direcciones del espacio, y una red tridimensional de resonadores de anillos metálicos abiertos que proporcionan una μ<0 también isótropa. Este medio es de una gran complejidad por lo que es poco apto para ser fabricado en serie al objeto de ser empleado en demostraciones experimentales para el ámbito docente. El medio "zurdo" que forma parte de la presente invención es de mayor simplicidad y de más fácil fabricación lo que va a permitir su difusión como elemento demostrativo en la práctica docente. Dicho medio "zurdo" consiste básicamente en un conjunto de superficies metálicas planas y apiladas en medio de las cuales se introducen láminas que contienen una red bidimensional de resonadores de anillos metálicos abiertos que puede fabricarse mediante las técnicas convencionales de fotograbado para la obtención de circuitos. Cada pareja de superficies metálicas adyacentes constituye una guía de ondas de placas paralelas que proporcionan una \varepsilon<0 para frecuencias de trabajo inferiores a la frecuencia de corte de la guía, que viene impuesta por la separación entre las dos superficies. Esta \varepsilon<0 se tiene para campos eléctricos dirigidos paralelamente a las superficies metálicas. Por otro lado, la red bidimensional de anillos proporciona una μ<0 en la dirección perpendicular a la red, esto es, perpendicular a las superficies metálicas. Por tanto, el medio "zurdo" propuesto no proporciona \varepsilon<0 y μ<0 en todas las direcciones del espacio, es decir, es un medio anisótropo. Sin embargo, este carácter anisótropo, que es debido a la simplicidad del diseño, no presenta ningún problema ya que la demostración experimental de la refracción negativa a la frecuencia de microondas que se propone hace uso de bocinas emisoras y receptoras convencionales de microondas cuya radiación consiste en ondas planas con campos eléctricos y magnéticos dirigidos precisamente en las direcciones en las que el medio "zurdo" propuesto ofrece \varepsilon<0 y μ<0.

Breve descripción de los dibujos

Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y solo a título de ejemplos no limitativos, se representan los elementos de que se compone el dispositivo. En la figura 1 se muestra el montaje completo de la demostración experimental, que consta de una bocina emisora 1 que radia con un campo eléctrico polarizado horizontalmente como se indica 2, una bocina receptora 3, un soporte 4 para sostener un prisma de material "zurdo" 5 o un prisma de material "diestro" 6, absorbente de microondas en forma piramidal 8 sobre el soporte 4 y un goniómetro 8 o base giratoria sobre el que se montan las bocinas 1, 3. El prisma "zurdo" o de índice de refracción negativo 5 consta de varias capas idénticas cada una de las cuales consta de varias partes que se detallan en la figura 2. Estas partes consisten en dos láminas de material dieléctrico 9, una lámina en la que disponen de forma periódica resonadores de anillos metálicos cortados 10 y dos superficies metálicas 11. La figura 3 muestra un ejemplo de la geometría de estos resonadores de anillos metálicos cortados 10. En la figura 4 se muestra el patrón de radiación medido para un prisma "diestro" de PVC 14 y el patrón de radiación para un prisma "zurdo" 15.

Descripción de una realización preferida

En la Figura 1 se muestra el dispositivo experimental completo para la demostración de la refracción negativa a la frecuencia de microondas. Los materiales con forma de prisma 5, 6 se colocan sobre un soporte 4 con las bocinas de microondas emisora 1 y receptora 3 a ambos lados del soporte. Bajo el soporte 4 se dispone un goniómetro 8 o base giratoria con dos brazos a lo largo de los cuales se pueden desplazar las bocinas 1, 3. Los brazos de este goniómetro 8 pueden girar para, dejando la bocina emisora 1 fija, rotar la bocina receptora 3 alrededor del soporte 4 con uno de los prismas 5, 6 y así medir el ángulo para el que se detecta el haz refractado. El centro de giro del goniómetro 8 coincide con la superficie de salida del prisma 5, 6 al colocarlo en el soporte 4. El soporte 4 se halla cubierto por absorbente de microondas de forma piramidal 7. Este absorbente 7 tiene como objeto evitar la formación de ondas estacionarias entre las bocinas 1, 3 y el soporte 4. Ello permite situar las bocinas 1, 3 a cualquier distancia del soporte 4, ya que en caso de producirse ondas estacionarias habría que desplazar las bocinas 1, 3 adelante y atrás a lo largo de los brazos del goniómetro 8 para encontrar un máximo de transmisión. Dichos absorbentes 7 resultan también imprescindibles...

1. Dispositivo para la demostración experimental de la refracción negativa a la frecuencia de microondas orientado a la enseñanza de los metamateriales y caracterizado por el hecho de que comprende: dos prismas, uno con índice de refracción positivo y otro con índice de refracción negativo a la frecuencia de microondas, un soporte de material dieléctrico para alojar los prismas y dos antenas de microondas tipo bocina, una emisora y otra receptora.

2. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el soporte de material dieléctrico está cubierto de material absorbente en forma piramidal para evitar la transmisión directa entre las bocinas.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el prisma de índice de refracción negativo está compuesto por una serie de capas apiladas, cada una de las cuales se compone de dos planos metálicos entre los que se insertan dos o más capas de espuma o dieléctrico de permitividad próxima a la del aire y una o más láminas de dieléctrico en los que se graban resonadores de anillos cortados.