ÓPTICA

electrogiración es el fenómeno de dispersión espacial , que consiste en el cambio de la actividad óptica (giro) de los cristales por un campo eléctrico constante o variable en el tiempo . Al ser un efecto de dispersión espacial , la actividad óptica inducida exhibe un comportamiento diferente bajo la operación de inversión del vector de onda, cuando se compara con el efecto de Faraday : el incremento de la actividad ópticaasociado con el efecto de electrogiración cambia su signo en esa operación, contrariamente al efecto de Faraday. Formalmente, es un caso especial de giroselectromagnetismo obtenido cuando el tensor de permeabilidad magnética es diagonal. ^[1]

El efecto de electrogiración lineal en el campo eléctrico se produce en cristales de todos los grupos de puntos de simetría, excepto los tres cúbicos - m3m, 432 y$${\ displaystyle {\ overline {4}} 3m \,}. El efecto proporcional al cuadrado del campo eléctrico solo puede existir en cristales pertenecientes a grupos de puntos de simetría acéntricos .

Los antecedentes históricos del descubrimiento de electrogyration [ editar ]

Los cambios en el signo de actividad óptica inducidos por el campo eléctrico externo se observaron por primera vez en los cristales ferroeléctricos LiH ₃ (SeO ₄ ) ₂ por H. Futama y R. Pepinsky en 1961, ^[2]mientras se cambian los dominios ferroeléctricos enantiomorfos (el cambio en el grupo de simetría puntual del cristal es 2 / m mm). El fenómeno observado se ha explicado como una consecuencia de la estructura del dominio específico (se produjo un reemplazo de los ejes ópticos durante la conmutación), en lugar de la electrogiración inducida por la polarización espontánea. La primera descripción del efecto de electrogiración inducida por el campo de polarización y la polarización espontánea en las transiciones de fase ferroeléctrica ha sido propuesta por K. Aizu en 1963 sobre la base de tensores axiales de tercer rango ^[3](el manuscrito recibido el 9 de septiembre de 1963). Probablemente, K. Aizu haya sido el primero que definió el efecto de electro-giro ("la tasa de cambio del giro con el campo eléctrico de polarización en el valor cero del campo eléctrico de polarización se denomina provisionalmente" electrogiro ") y se introdujo El término "electrogiración" en sí. Casi simultáneamente con K. Aizu, IS Zheludev ha sugerido una descripción tensorial de la electrogiración en 1964 ^[4] (el manuscrito recibido el 21 de febrero de 1964). En este artículo, la electrogiración se ha denominado "actividad electro-óptica". En 1969, OG Vlokh midió por primera vez el efecto de electrogiración inducido por el campo de polarización externo en el cristal de cuarzo y determinó el coeficiente de efecto de electrogiro cuadrático ^[5](El manuscrito recibido el 7 de julio de 1969). 
Así, el efecto de electrogiración ha sido predicho simultáneamente por Aizu K. y Zheludev IS en 1963–1964 y se reveló experimentalmente en cristales de cuarzo por Vlokh OG en 1969. ^[5] . ^{[6] [7] [8]} Más tarde, en 2003, la gyroelectricidad se extendió a los medios gyroelectromagnetic, ^[1] que cuenta con semiconductores ferromagnéticos y metamateriales diseñados por ingeniería genética , por lo que la gyroelectricidad y el gyromagnetism ( efecto de Faraday ) pueden ocurrir al mismo tiempo.

Descripción [ editar ]

Las relaciones electrodinámica [ editar ]

El campo eléctrico y los vectores de desplazamiento eléctrico de la onda electromagnética que se propagan en cristales girotrópicos pueden escribirse respectivamente como:

$${\ displaystyle E_ {i} = B_ {ij} ^ {0} D_ {j} + {\ tilde {\ delta}} _ {ijk} {\ frac {\ parcial D_ {j}} {\ parcial x_ {k }}} = B_ {ij} ^ {0} D_ {j} + (ie_ {ijl} {\ tilde {g}} _ {lk} k_ {k}) D_ {j} \,}
  
, (1)

o

$${\ displaystyle D_ {i} = \ epsilon _ {ij} ^ {0} E_ {j} + \ delta _ {ijk} {\ frac {\ parcial E_ {j}} {\ parcial x_ {k}}} = \ epsilon _ {ij} ^ {0} E_ {j} + (ie_ {ijl} {g} _ {lk} k_ {k}) E_ {j} \,}
  
, (2)

dónde $${\ displaystyle B_ {ij} ^ {0}} es el tensor de impermeabilidad a la frecuencia óptica , $${\ displaystyle \ epsilon _ {ij} ^ {0}}El tensor de permitividad dieléctrica , $${\ displaystyle {\ tilde {g}} _ {lk} {\ overline {n}} = g_ {kl}}, $${\ displaystyle {\ overline {n}}} el índice de refracción medio, $${\ displaystyle D_ {j} \,} - inducción, $${\ displaystyle \ delta _ {ijk} \,}, $${\ displaystyle {\ tilde {\ delta}} _ {ijk}}tensores polares de tercer rango , $${\ displaystyle e_ {ijl} \,} la unidad antisimétrica Levi-Civit pseudo-tensor, $${\ displaystyle k_ {k} \,}el vector de onda , y$${\ displaystyle g_ {lk} \,}, $${\ displaystyle {\ tilde {g}} _ {lk}}Los pseudotensores de giro de segunda fila. El ángulo de rotación específico del plano de polarización. $${\ displaystyle \ rho \,}La causada por la actividad ópticanatural se define por la relación:

$${\ displaystyle \ rho = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} g_ {lk} l_ {l} l_ {k} = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} G \,}
  
, (3)

dónde $${\ displaystyle n \,} es el índice de refracción, $${\ displaystyle \ lambda \,} la longitud de onda, $${\ displaystyle l_ {l} \,}, $${\ displaystyle l_ {k} \,} Los coeficientes de transformación entre los sistemas de coordenadas cartesiano y esférico ($${\ displaystyle l_ {1} = \ sin \ Theta \ cos \ varphi \,}, $${\ displaystyle l_ {2} = \ sin \ Theta \ sin \ varphi, l_ {3} = \ cos \ Theta}), y $${\ displaystyle G \,}El parámetro de giro pseudoescalar. El incremento de electrogiro del tensor de giro se produjo bajo la acción del campo eléctrico $${\ displaystyle E_ {m} \,} o y $${\ displaystyle E_ {n} \,} se escribe como

$${\ displaystyle \ Delta g_ {lk} = \ gamma _ {lkm} E_ {m} + \ beta _ {lkmn} E_ {m} E_ {n} \,}
  
, (4)

dónde $${\ displaystyle \ gamma _ {lkm} \,} y $${\ displaystyle \ beta _ {lkmn} \,}son tensores axiales de tercer y cuarto rango que describen la electrogiración lineal y cuadrática, respectivamente. En ausencia de birrefringencia lineal , el incremento de electrogiración del poder rotatorio específico viene dado por:

$${\ displaystyle \ Delta \ rho = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} g_ {lk} l_ {l} l_ {k} = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} \ Delta G = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} (\ gamma _ {lkm} E_ {m} + \ beta _ {lkmn} E_ {m} E_ {n}) l_ {l} l_ {k}}
  
. (5)

El efecto de electrogiración también puede ser inducido por polarización espontánea. $${\ displaystyle P_ {m} ^ {s} P_ {n} ^ {s} \,} Apareciendo en el curso de las transiciones de la fase ferroeléctrica.

^[9]

$${\ displaystyle \ Delta \ rho = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} g_ {lk} l_ {l} l_ {k} = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} \ Delta G = {\ frac {\ pi} {\ lambda n}} ({\ tilde {\ gamma}} _ {lkm} P_ {m} ^ {s} + {\ tilde {\ beta}} _ {lkmn} P_ { m} ^ {s} P_ {n} ^ {s}) l_ {l} l_ {k}}
  
. (6)

Explicación sobre la base del enfoque de simetría [ editar ]

El efecto de electrogiración se puede explicar fácilmente sobre la base de los principios de simetría de Curie y Neumann. En los cristales que muestran el centro de simetría, el giro natural no puede existir, ya que, debido al principio de Neumann, el grupo de simetría puntual del medio debe ser un subgrupo del grupo de simetría que describe los fenómenos, que son propiedades de este medio. Como resultado, el tensor de giro posee una simetría del tensor axial de segundo rango -$${\ displaystyle \ infty 2 \,}no es un subgrupo de medios centrosimétricos y, por lo tanto, la actividad óptica natural no puede existir en dichos medios. De acuerdo con el principio de simetría de Curie, las acciones externas reducen el grupo de simetría del medio hasta el grupo definido por la intersección de los grupos de simetría de la acción y el medio. Cuando el campo eléctrico (con la simetría del vector polar, $${\ displaystyle \ infty mm \,}) Influye en el cristal que poseen la centro de inversión, el grupo de simetría del cristal debe reducirse a la acéntrico, permitiendo de este modo la aparición de giro. Sin embargo, en caso del efecto electrogyration cuadrática, la simetría de la acción debe ser considerada como la del producto díada $${\ displaystyle E_ {m} E_ {n} \,}o, lo que es lo mismo, la simetría de un tensor polar de segundo rango ($${\ displaystyle \ infty / mmm \,}). Tal acción centrosimétrica no puede llevar a la disminución de la simetría centrosimétrica del cristal a los estados acéntricos. Esta es la razón por la cual la electrogiración cuadrática existe solo en los cristales acéntricos.

Ondas propias en presencia de electrogiración [ editar ]

En un caso general de propagación de la luz a lo largo de direcciones ópticamente anisotrópicas, las ondas propias se polarizan elípticamente en presencia del efecto de electrogiración, incluida la rotación del azimut de la elipse de polarización. Entonces la elipticidad correspondiente$${\ displaystyle \ kappa \,} y el azimut $${\ displaystyle \ chi \,} Se definen respectivamente por las relaciones.

$${\ Displaystyle \ kappa = {\ frac {\ Delta G} {2 \ Delta n {\ overline {n}}}} \,}
  
, (7)

$${\ displaystyle \ tan 2 (\ alpha - \ chi) = {\ frac {2 \ kappa} {1+ \ kappa ^ {2}}} \ tan {\ boldsymbol {\ Gamma}} \ left (1 + {\ frac {P \ moreno 2 \ alpha + (1-R)} {R + \ tan ^ {2} 2 \ alpha}} \) \ right,}
  
, (8)  

dónde $${\ displaystyle \ alpha \,} es el azimut de polarización de la luz incidente con respecto al eje principal de la indicatriz, $${\ displaystyle \ Delta n \,}la birrefringencia lineal , $${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ Gamma}} \,} el retraso de fase, $${\ displaystyle P = {\ frac {(1- \ kappa ^ {2}) ^ {2}} {2 \ kappa (1+ \ kappa ^ {2})}} \,}y $${\ displaystyle R = \ left ({\ frac {2 \ kappa} {1+ \ kappa ^ {2}}} \ right) ^ {2} + \ left ({\ frac {1- \ kappa ^ {2} } {1+ \ kappa ^ {2}}} \ right) ^ {2} \,}. En el caso de la propagación de la luz a lo largo de direcciones ópticamente isotrópicas (es decir, los ejes ópticos), la onda propia se polariza circularmente ($${\ displaystyle \ kappa = 1 \,}), con diferentes velocidades de fase y diferentes signos de polarización circular (izquierda y derecha). Por lo tanto, la relación (8) se puede simplificar para describir una rotación pura del plano de polarización:

$${\ displaystyle 2 (\ alpha - \ chi) = {\ boldsymbol {\ Gamma}} \,}
  
, (9)

o

$${\ displaystyle \ rho d = \ alpha - {\ frac {\ boldsymbol {\ Gamma}} {2}} \,}
  
, (10)

dónde $${\ displaystyle d \,}- es el espesor de la muestra a lo largo de la dirección de propagación de la luz. Para las direcciones de propagación de la luz lejos del eje óptico, la elipticidad$${\ displaystyle \ kappa \,} Es pequeño y por lo tanto uno puede descuidar los términos proporcionales a $${\ displaystyle \ kappa ^ {2} \,}en la ecuación (8). Así, para describir la polarización del azimut en $${\ displaystyle \ alpha = 0 \,} y el tensor de giro, relaciones simplificadas.

$${\ displaystyle \ tan 2 \ chi = -2 \ kappa \ sin {\ boldsymbol {\ Gamma}} \,}
  
, (11)

o

$${\ displaystyle g_ {kl} = 2 \ chi \ Delta n {\ overline {n}} \,}
  
. (12)

se utilizan a menudo. De acuerdo con la ecuación (11), cuando la luz se propaga a lo largo de las direcciones anisotrópicas, los efectos de giro (o electro-giro) se manifiestan como oscilaciones del azimut de la elipse de polarización que se producen con el cambio de retardo de fase.$${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ Gamma}} \,} .

Resultados experimentales [ editar ]

El efecto de electrogiración se ha revelado por primera vez en los cristales de cuarzo [2] como un efecto cuadrático en el campo externo. Más adelante, tanto la electrogiración lineal como la cuadrática ^[10] se han estudiado en el dieléctrico ($${\ displaystyle \ alpha - \,}HIO ₃ , ^[11] LiIO ₃ , ^[12] PbMoO ₄ , ^[13] NaBi (MoO ₄ ) ₂ , Pb ₅ SiO ₄ (VO ₄ ) ₂ , Pb ₅SeO ₄ (VO ₄ ) ₂ , Pb ₅ GeO ₄ ( VO ₄ ) ₂ , ^[14] alumbre ^{[15] [16] [17]} etc.) semiconductor (AgGaS ₂ , CdGa ₂ S ₄ ),^[18]ferroeléctrico (TGS, Rochelle Salt, Pb ₅ Ge ₃ O ₁₁ y KDP familias, etc.) ^{[19] [20] [21]} , ^[22] , así como la fotorrefractiva(Bi ₁₂ SiO ₂₀ , Bi ₁₂ GeO ₂₀ , Bi ₁₂ TiO ₂₀ ) materiales ^[23] [24] . ^[25] El efecto de electro-giro inducido por una poderosa radiación láser (el llamado electroinducción dinámica o autoinducida) se ha estudiado en los trabajos^[26] . ^[27]La influencia de la electrogiro en el almacenamiento de fotorrefracción también se ha investigado en ^[28] [29] . Desde el punto de vista de la electrodinámica no lineal, la existencia del gradiente del campo eléctrico de la onda óptica en el rango de la celda unitaria corresponde al gradiente macroscópico del campo eléctrico externo, si solo se tiene en cuenta la transposición de frecuencia ^[30] . En ese sentido, el efecto de electrogiración representa el primero de los fenómenos ópticos no lineales de gradiente jamás revelados.

 dispositivo electrocrómico ( ECD ) controla las propiedades ópticas como la transmisión óptica, la absorción, la reflectancia y / o la emisión de manera continua pero reversible en la aplicación de voltaje ( electrocromismo ). Esta propiedad permite utilizar un ECD para aplicaciones como vidrio inteligente , espejoselectrocrómicos y dispositivos de visualización electrocromáticos.

Historia [ editar ]

La historia de la coloración se remonta a 1704 cuando Diesbach descubrió el azul de Prusia (hexacianoferrato), que cambia el color de transparente a azul bajo la oxidación del hierro. En la década de 1930, Kobosew y Nekrassow observaron por primera vez la coloración electroquímica en el óxido de tungsteno a granel. Mientras trabajaba en Balzers en Lichtenstein, T. Kraus proporcionó una descripción detallada de la coloración electroquímica en una película delgada de trióxido de tungsteno (WO ₃ ) el 30 de julio de 1953. En 1969, SK Deb demostró la coloración electrocrómica en las películas delgadas de WO ₃ . ^[1] Deb observó el color electrocrómico aplicando un campo eléctrico del orden de 10 ⁴ Vcm ^{−1 a} través de WO ₃película delgada. De hecho, el verdadero nacimiento de la tecnología EC suele atribuirse al artículo seminal de SK Deb de 1973, en el que describió el mecanismo de coloración en el documento WO ₃ . ^[2] El electrocromismo se produce debido a las reacciones redox electroquímicas que tienen lugar en los materiales electrocromáticos. Se pueden usar varios tipos de materiales y estructuras para construir dispositivos electrocrómicos, dependiendo de las aplicaciones específicas.

Estructura del dispositivo [ editar ]

Estructura del dispositivo electrocrómico.

Los dispositivos electrocrómicos (a veces llamados electrocromáticos) son un tipo de células electrocrómicas. ^[3] La estructura básica de ECD consiste en dos capas de EC separadas por una capa electrolítica. El ECD funciona con una tensión externa, para la cual los electrodos conductores se utilizan en ambos lados de ambas capas de EC. Los dispositivos electrocrómicos se pueden clasificar en dos tipos dependiendo del tipo de electrolito utilizado, a saber. El ECD laminado es aquel en el que se utiliza gel líquido mientras que en los dispositivos de electrolito sólido EC se usa material sólido inorgánico u orgánico. La estructura básica del dispositivo electrocrómico incorpora cinco capas superpuestas sobre un sustrato o colocadas entre dos sustratos en una configuración laminada. En esta estructura hay tres tipos de materiales en capas principalmente diferentes en el ECD: La capa EC y la capa de almacenamiento de iones conducen iones y electrones y pertenecen a la clase de conductores mixtos. El electrolito es un conductor de iones puros y separa las dos capas de EC. Los conductores transparentes son conductores de electrones puros. La absorción óptica se produce cuando los electrones se mueven hacia las capas de EC desde los conductores transparentes junto con los iones de equilibrio de carga que ingresan desde el electrolito.

ECD de estado sólido [ editar ]

En los dispositivos electrocrómicos de estado sólido, se utiliza material sólido inorgánico u orgánico como electrolito . Ta ₂ O ₅ y ZrO ₂ son los electrolitos sólidos inorgánicos más ampliamente estudiados.

LIT laminado [ editar ]

Los dispositivos electrocrómicos laminados son aquellos en los que se utiliza un gel líquido como electrolito.

Modo de operación [ editar ]

Modos de funcionamiento del dispositivo electrocrómico.

Normalmente, los ECD son de dos tipos según los modos de operación del dispositivo, a saber, el modo de transmisión y el modo de reflectancia. En el modo de transmisión, los electrodos conductores son transparentes y controlan la intensidad de la luz que pasa a través de ellos; este modo se utiliza en aplicaciones de ventana inteligente. En el modo de reflectancia, uno de los electrodos conductores transparentes (TCE) se reemplaza con una superficie reflectante como el aluminio, el oro o la plata, que controla la intensidad de la luz reflectante; este modo es útil en los espejos retrovisores de automóviles y dispositivos de visualización EC.

Aplicaciones [ editar ]

Ventanas EC [ editar ]

ANA Boeing 787-8 ventana electrocrómica Dreamliner.

Las ventanas electrocrómicas, también conocidas como ventanas inteligentes, son una nueva disposición tecnológica para lograr la eficiencia energética en edificios, con una transmisión variable de luz y energía solar. Estas "ventanas inteligentes" pueden controlar automáticamente la cantidad de luz y energía solar que pasa a través de las ventanas, lo que posteriormente mejora el confort interior; por ejemplo, el vidrio electrocrómico proporciona una mejor resistencia al deslumbramiento que el vidrio fritado en la mayoría de las aplicaciones con luz solar directa. ^[4] La eficiencia de estas ventanas variará dependiendo de su ubicación, tamaño y condiciones del clima local, ya que estos factores influyen en la cantidad de luz solar que entra en contacto con estas ventanas. ^[5]Las ventanas electrocrómicas generalmente logran su control sobre la luz y el calor a través de su diseño en capas. Estas capas dentro de la ventana permiten teñir el vidrio en respuesta a los aumentos de la luz solar entrante, así como a la protección contra la radiación UV. Un ejemplo de este diseño en capas es el vidrio electrocrómico desarrollado por Gesimat, donde capas múltiples de material (es decir, óxido de tungsteno, polivinil butiral y azul de Prusia) se intercalan en dos capas de vidrio y vidrio recubierto con óxido de estaño dopado con flúor. ^[6] Juntas, las capas de óxido de tungsteno y azul de Prusia forman capas electrocrómicas complementarias; esencialmente, esto significa que forman los extremos positivo y negativo de una batería que utiliza la energía solar entrante. ^[7] El polivinil butiral (PVB) forma la capa central en esta configuración, y sirve como un electrolito de polímero (esto permite el flujo de iones que, a su vez, genera una corriente).

Espejo EC [ editar ]

Las superficies reflectantes electrocrómicas se emplean como espejos auto oscurecedores que regulan los reflejos de la luz intermitente de los siguientes vehículos durante la noche para que el conductor pueda verlos sin molestias.

Un espejo de auto con atenuación automática.

Visualización de la CE [ editar ]

Las pantallas electrocrómicas pueden funcionar en modo reflejo o transmisión. Son ventajosos por su bajo costo y bajo consumo de energía.

Existen muchas aplicaciones en las que se pueden utilizar, por ejemplo, en gafas y viseras de casco de motocicleta, que pueden teñirse dinámicamente según la hora del día y en papel, para crear una imagen al tocarla con un lápiz.

Galería de ECD [ editar ]

• 

  Dispositivos electrocrómicos en estado blanqueado, MSU de Baroda, India
 
• 

  Dispositivos electrocrómicos en estado de color, la MSU de Baroda, India
 
• 

  Vidrio electrocrómico