El proyecto de investigación se centra en el desarrollo de nuevas estructuras metamateriales. Se ha demostrado que este tipo de estructuras electromagnéticas presenta un enorme potencial en el desarrollo del campo de las radiocomunicaciones. El equipo solicitante ha vertebrado a lo largo de los años una de sus principales líneas de investigación en torno al estudio y desarrollo de este tipo de materiales electromagnéticos. De hecho, el presente proyecto de investigación se plantea como continuación de proyectos I+D anteriores financiados por distintos planes nacionales de investigación (MESUMO 2018, MECOMOA 2014, NUMATEP 2010, CONSOLIDER 2010, MAFREMI 2006, …).
Los conocimientos y la experiencia adquiridos por los miembros del equipo, proporcionan unas capacidades científicas y/o tecnológicas singulares en el campo de los medios complejos y metamateriales. Además, la heterogeneidad de los trabajos propuestos, que abarcan desde el diseño teórico hasta su caracterización experimental, así como el trabajo en su modelado numérico, llevará al Proyecto a una posición óptima para generar conocimiento de frontera estimulando la transferencia de tecnología al diseño de innovadores dispositivos de microondas. Estos conocimientos y avances tecnológicos servirán de base para satisfacer necesidades y resolver problemas actuales.
Por ejemplo, en el área de defensa pueden ser implementadas en aplicaciones de baja observabilidad reduciendo la sección radar. También pueden contribuir a la evolución de los sistemas de comunicaciones móviles, 5G o 6G basados en MIMO masivo adaptando el canal de comunicaciones conformando Superficies Inteligentes Reconfigurables (Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS o IRS) [Alghamdi 2020] [Abdullah 2022]. Finalmente, cabe señalar que las diferentes capacidades de análisis, modelado y caracterización/medida de los miembros del equipo de investigación, compartidas en un único Proyecto, permitirán establecer una plataforma de cooperación idónea para colaborar en otras redes de investigación y participar en proyectos interdisciplinares.
El proyecto solicitado se encuentra encuadrado dentro de la temática de “Tecnologías de la información y de las comunicaciones (TIC)”, en concreto en las “Tecnologías de las comunicaciones (TCO)”. Se ha seleccionado esta temática porque los metamateriales y las Metasuperficies, se ajustan perfectamente a la misma, y su implementación permite dar solución a diferentes problemáticas actuales de las TCO desde su concepción más física, es decir, aplicada a dispositivos de microondas, antenas y propagación. La implementación de este tipo de estructuras permite, por ejemplo, la mejora técnica de dispositivos, la miniaturización de componentes, la adaptación de las propiedades de radiación de antenas, la modificación de la polarización, etc.
La propuesta presentada se apoya en un equipo humano con años de experiencia, avalada por los diferentes proyectos de I+D en los que ha participado. El “Know how” adquirido por este equipo de trabajo a lo largo de estos años abarca todo el proceso de estudio: el análisis numérico, la fabricación y la caracterización experimental. El equipo de investigación es un grupo heterogéneo, formado por Físicos e Ingenieros de diferentes universidades españolas. Esta amplia experiencia se plasma también en los medios materiales disponibles, ya que se cuenta en las diferentes Universidades con infraestructuras equipadas apropiadamente para la simulación, fabricación y medida de Metasuperficies electromagnéticas en el rango de microondas, pudiendo valorarse su expansión al rango de THz. La adecuada preparación en ambos aspectos, capacitación profesional y equipamiento, resultan puntos de partida claves para avalar la viabilidad del proyecto propuesto.
Para ahondar más en la contribución del proyecto a la generación de conocimiento en las TCO es importante poner en contexto los objetivos del proyecto solicitado. El estudio y desarrollo de los metamateriales en el área del electromagnetismo es un campo que se abre en torno al año 2000 con las contribuciones teóricas y prácticas de Pendry [Pendry2000] y Smith [Smith2001] inspiradas en las ideas de Veselago [Veselago1968]. Concebidas inicialmente como estructuras periódicas que presentan refracción negativa, los metamateriales rápidamente evolucionaron a un plano más general como estructuras periódicas diseñadas para producir una respuesta, en este caso electromagnética, no existente en la naturaleza (o al menos que no se haya encontrado con esa magnitud o en esa banda de frecuencias). El interés de la comunidad científica por este tipo de estructuras ha sido muy amplio, dado el enorme potencial que presentan: refracción negativa, miniaturización de dispositivos de microondas, mejora de lentes...
Desde el punto de vista físico, los metamateriales han evolucionado, pasando de estructuras voluminosas 3D a estructuras planas con un grosor comparable a la longitud de onda de trabajo. Estas últimas, denominadas “Metasuperficies”, aportan una mayor capacidad de integración. Desde el punto de vista funcional, también se ha producido una evolución importante. Las primeras estructuras metamateriales son medios pasivos formados por la repetición, en el plano 2D o en el espacio 3D, de una celda unidad. Se han publicado diversas estructuras que aportaban diferentes funcionalidades: refracción negativa, permeabilidad o permitividad negativas o nulas … A partir de estos metamateriales estáticos y pasivos, las Metasuperficies han evolucionado tímidamente hacia estructuras multifuncionales. Por una parte, mediante el diseño de celdas unidad pasivas que trabajan simultáneamente en varias bandas o modifican varios aspectos de la onda incidente … Por otra parte, a través de celdas unidad activas que incorporan elementos de conmutación que convenientemente polarizados modifican uniformemente la respuesta de toda la Metasuperficie.
En el estado actual de la tecnología, se busca incrementar la complejidad de la respuesta de las Metasuperficies a partir de la combinación de celdas unidad diferentes. Estas Metasuperficies se pueden realizar mediante la combinación de estructuras pasivas (cuya respuesta no se modifica una vez implementadas) o mediante estructuras reconfigurables donde cada una de las celdas unidad se puede polarizar para presentar diferentes estados (de manera “atomizada”, cada celda por separado). Es en este estado actual de la tecnología donde se sitúa el proyecto solicitado, planteando unos objetivos que permitan avanzar en el campo de las Metasuperficies codificables y sintonizables. Además, aunque se trata de un proyecto de investigación no orientada, sus resultados tienen claras aplicaciones en el avance tecnológico de las TCO, como, por ejemplo, en el campo de la defensa o de las comunicaciones móviles 6G.
Los metamateriales (y Metasuperficies) son estructuras que han evolucionado significativamente, encontrándose en un punto de madurez que resulta muy prometedor para el desarrollo de estructuras o componentes con respuestas electromagnéticas complejas.
La configuración de estas Metasuperficies requiere de diferentes celdas unidad (metaátomos) con respuestas en refracción o en reflexión que abarquen un conjunto de estados predeterminados.
Estos metaátomos pueden presentar una respuesta estática obtenida mediante un diseño de celda unidad pasivo. También pueden proporcionar una respuesta dinámica al diseñarse con elementos activos que permitan variar su respuesta electromagnética en base a estímulos externos.
Como ya se ha mencionado, durante los últimos años los miembros del grupo solicitante han trabajado conjuntamente en diferentes Proyectos I+D financiados por distintos planes nacionales de investigación, diseñando, fabricando y caracterizando una amplia variedad de medios complejos, Metasuperficies, con diferentes propiedades físicas que pueden llevar a aplicaciones: control de polarización, reflexión anómala, transmisión asimétrica, etc. Y también se ha realizado algún trabajo previo respecto a la sintonización de los mismos. Los conocimientos adquiridos durante estos años, así como los materiales ya desarrollados, son el punto de partida.
Bibliografía:
[Veselago1968] V. G. Veselago, “ , The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ,” Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, Jan.-Feb. 1968, doi: 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699.
[Pendry2000]. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins and W. J. Stewart, "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 11, pp. 2075-2084, Nov. 1999, doi: 10.1109/22.798002.
[Smith2001] R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, “Experimental Verification of a Negative Index of Refraction,” Science vol. 292, nº. 5514, pp. 77-79, Apr. 2001, doi: 10.1126/science.1058847.
[Alghamdi 2020] R. Alghamdi, R. Alhadrami, D. Alhothali, H. Almorad, A. Faisal, S. Helal, R. Shalabi, R. Asfour, N. Hammad, A. Shams, N. Saeed, H. Dahrouj, T. Y. Al-Naffouri, and M.-S. Alouini, "Intelligent Surfaces for 6G Wireless Networks: A Survey of Optimization and Performance Analysis Techniques," in IEEE Access, vol. 8, pp. 202795 – 202818, Oct. 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3031959.
[Abdullah 2022] Z. Abdullah, S. Kissleff, W. A. Martins, G. Chen, L. Sanguinetti, K. Ntontin, A. Papazafeiropoulos, S. Chatzinotas, and B. Ottersten, “Cooperative Hybrid Networks with Active Relays and RISs for B5G: Applications, Challenges, and Research Directions,” in IEEE Wireless Communications, 2022, doi: 10.1109/MWC.012.2200292.
