Search

dissertação desenvolvida está incluída no projeto ProFESEx (Sistema de Proteção de Fachadas Envidraçadas Sujeitas a Explosões) em que o principal objetivo é desenvolver uma possível solução de fachada envidraçada utilizando metamateriais impressos em 3D com geometria auxética, e vidro laminado composto por duas lâminas de vidro temperado capazes de resistir a cargas explosivas. A utilização de um sistema de dissipação de energia proporcionará uma redução dos danos do vidro e melhorará o seu comportamento e resistência contra explosões. Quando uma carga de explosiva é aplicada num vidro laminado, dependendo do tipo de vidro utilizado nas diferentes lâminas, os danos causados ao ser humano podem ser drasticamente reduzidos em comparação com um vidro monolítico que é responsável pela maioria das vítimas, devido à projeção dos fragmentos de vidro. O vidro é um material difícil de modelar utilizando o método dos elementos finitos (MEF) devido ao facto das suas propriedades serem complexas de simular. Procurou-se combinar os resultados dos modelos de EF, para calibrar os modelos, e compreender o comportamento de um vidro laminado com e sem o sistema de dissipação de energia. Concluiu-se que o sistema de dissipação funciona, embora os resultados obtidos nos ensaios de campo não sejam suficientes para compreender o comportamento completo do painel de vidro com o sistema de dissipação para diferentes cargas explosivas. O sistema de dissipação funciona devido à comparação com o painel de apoio rígido, mas necessita de melhorias para que o painel de vidro possa beneficiar mais da sua capacidade.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Metamateriais são uma classe de materiais que apresentam propriedades especiais não encontradas naturalmente. Essas propriedades especiais estão relacionadas ao projeto geométrico calculado, de forma que a estrutura tenha uma resposta desejável. Impressoras 3D possibilitaram que os metamateriais fossem produzidos, sendo que cada dia essa tecnologia se torna mais acessível à população em geral. Esse trabalho pode ser dividido em três etapas. A primeira foi a caracterização mecânica do filamento de impressão 3D de TPU (Termoplástico de Poliuretano), um material hiperelástico. Pelos ensaios de tensão e compressão os modelos de Mooney-Rivlin de 5ª ordem se mostrou a melhor opção. A segunda etapa foi a investigação de como os parâmetros de impressão 3D de Fabricação por Filamento Fundido (FFF), por exemplo, orientação de deposição do filamento, taxa de extrusão, velocidade de deposição e temperatura de extrusão podem afetar as propriedades e qualidade mecânica das peças. Um aumento na temperatura de extrusão combinado com uma redução da velocidade de deposição pareceu reduzir o erro de deposição das camadas. Diferenças estatísticas não foram observadas nas propriedades mecânicas (rigidez e resistência) quando variado a orientação de deposição do filamento. A última etapa foi a simulação numérica de duas classes de metamateriais: os tipos auxéticos e kirigami. Nas simulações numéricas as estruturas auxéticas demonstraram valores de coeficiente de Poisson entre 5 e 18% maiores comparado aos valores teóricos. Exceto a estrutura auxética crosschiral que apresentou variações maiores entre teórico e simulado e necessita maiores investigações (em torno de 50%). As estruturas kirigami tiveram valores de alongamento próximos comparados aqueles da literatura, mas é provável que em testes físicos essas estruturas possam atingir valores superiores. Aplicações como abafadores sonoros e tênis de corrida (auxéticos) e fitas adesivas fisioterápicas (kirigami) são algumas que podem ser mencionadas para essas estruturas. Metamaterials are a class of materials that have special properties not found naturally. These special properties are related to the calculated geometric design so that the structure has a desirable response. 3D printers have enabled the production of metamaterials, becoming gradually an accessible technology for many people. This research can be divided into three different stages. The first one was the mechanical characterization of 3D printing filament based on TPU (polyurethane thermoplastic), an hyperelastic material. Based on tensile and compression tests, the 5th order Mooney-Rivlin models seems to be the best option. The second stage was the investigation of how 3D Fused Filament Fabrication (FFF) printers parameters, e.g., filament deposition orientation, flow rate, speed deposition and extrusion temperature affect the overall final specimens’ mechanical properties and its quality. An increase on extrusion temperature combined with a decrease on speed deposition seems to reduce the layers’ deposition failure. No statistical differences were observed on mechanical properties (stiffness and strength) regardless the filament deposition orientation. The last stage was the numerical simulations of two classes of metamaterials, i.e. auxetics and Kirigami-based. In numerical simulations, the auxetic structures showed Poisson ratio values between 5 and 18% higher than theoretical values. Except for the crosschiral auxetic structure, which showed greater variations between theoretical and simulated and needs further investigation (around 50%). The kirigami structures had elongation values close to those in the literature, but it is likely that in physical tests these structures can reach higher values. Applications such as sound mufflers and running shoes (auxetics) and physical therapy adhesive tapes (kirigami) are some that can be mentioned for these structures.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A resolução espacial dos sistemas de imaging convencionais é restringida pelo limite dedifração. Nas últimas décadas, inúmeros investigadores procuraram ultrapassar as condicionantes impostas pela difração através de sistemas que permitam manipulação do campopróximo, para que fosse possível criar sistemas de imaging com super-­resolução. De entreas alternativas mais promissoras que permitem atingir super-­resolução destacam-­se aquelas baseadas em metamateriais.Os metamateriais, em particular, os metamateriais compostos por agregados de fios metálicos, possibilitam uma enorme flexibilidade em termos de respostas eletromagnéticasrealizáveis, muito para além daquelas possíveis com os materiais que estão disponíveisna natureza. Duas das mais interessantes propriedades eletromagnéticas exibidas pelosagregados de fios metálicos são a dispersão espacial forte e a anisotropia ótica extrema.A anisotropia extrema permite que estas estruturas artificiais funcionem como lentescom super­-resolução com a capacidade de transportar e manipular o campo elétrico. Oprincípio de funcionamento destas lentes baseia-­se na transformação dos harmónicos evanescentes, em ondas propagáveis na lente, sendo essas ondas guiadas por cada um dosfios (pixel­ to­ pixel imaging principle), e possibilitando assim a reprodução da imagem nainterface de saída da lente. Este efeito denomina-­se de canalização.Nesta dissertação, realizou-­se a caracterização experimental do efeito de flexão (dobra mento) dos fios nas capacidades de imaging das lentes metamateriais de fios. Para issofoi projetada e fabricada uma lente metamaterial e as respetivas antenas de excitação, efoi utilizado um sistema de medição de campo próximo para fazer a caracterização.Foi demonstrado experimentalmente que uma lente metamaterial de fios dobrados permite a reconstrução do campo elétrico próximo com super­-resolução. Os resultados experimentais obtidos evidenciam a grande tolerância das lentes de fios metálicos ao efeito deflexão dos fios. The spatial resolution of conventional imaging systems is constrained by the diffractionlimit. Over the last decades, countless researchers have tried to overcome the constraintsimposed by diffraction, by using systems that allow manipulating the near field, so thatit would be possible to create imaging systems with super­ resolution. Among the mostpromising alternatives that allow obtaining super-­resolution, those based on metamaterialsstand out.Metamaterials formed by arrays of metallic wires provide enormous flexibility in termsof achievable electromagnetic responses, far beyond those possible with materials available in nature. Two of the most interesting electromagnetic properties exhibited by wiremetamaterials are the strong spatial dispersion and the extreme optical anisotropy.Extreme anisotropy allows these artificial structures to work as super resolution lenseswith the ability to transport and manipulate the electric field. The operating principle ofthese lenses is based on the transformation of the evanescent harmonics into propagatingwaves in the lens, which are guided by each wire (pixel ­to­ pixel imaging principle), thusenabling the reproduction of the image on the output interface of the lens. This effect iscalled canalization.In this dissertation, it was carried out the experimental characterization of the effectsof bending the wires of such metamaterial lenses, on its imaging capabilities. It was designed and fabricated a metamaterial lens and the corresponding excitation antennas. Inorder to test the imaging capabilities of the metamaterials lens, it was used a near­fieldmeasurement system.It was experimentally demonstrated that a bent wire metamaterial lens allows the reconstruction of the near electric field with super­ resolution. The experimental results obtained showed a great tolerance of the metallic wire lens to the wire bending effect.

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa, Michel zamboni Rached Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação Resumo: Nesta tese, abordamos aplicações de feixes localizados em FSO - Free Space Optics - e em pinças ópticas, com ênfase maior para o segundo. No primeiro caso, mostramos que é possível pré-determinar o padrão de intensidade longitudinal através de elementos ópticos adequadamente modelados em suas funções de fase: os áxicons. Assim, estes feixes poderiam ser usados para alinhar o link. No caso de pinças ópticas, exploramos a idéia de que, em breve, será possível a contrução de partículas esféricas homogêneas, na escala micrométrica, com índice de refração negativo (as chamadas DNG particles, ou Double-Negative particles), e verificamos as propriedades de aprisionamento óptico tanto para feixes gaussianos quanto para feixes localizados, no regime de óptica geométrica e no caso mais geral da teoria eletromagnética. A idéia de que partículas são atraídas para regiões de alta intensidade quando seu índice de refração é maior do que o do meio, e para regiões de baixa intensidade quando este índice é menor, embora válida para partículas convencionais - aquelas com índice de refração positivo -, deve ser revista para partículas DNG. Abstract: In this thesis, we explore some applications of localized beams in FSO - Free Space Optics - and optical tweezers, greater emphasis been given to the second one. For FSO, we show that it is possible to choose the desired longitudinal intensity pattern by using optical elements adequately modeled in their phase functions: the axicons. In this way, these beams could be uses for optical alignment of the link. In the case of optical tweezers, we investigate the possibility that it will soon be possible to design and build homogeneous spherical particles, in the micron scale, with negative refractive index (the so called DNG particles, or Double-Negative particles), and we verify some properties related to optical trapping, both for Gaussian and Bessel beams, in the optics ray regime and in the more general electromagnetic case. The idea that particles with refractive index higher than the medium in which it is immersed is attracted to regions of high intensity, whereas it is attracted to regions of low intensity when its refractive index is lower than the medium, although valid for conventional particles - those with positive refractive index - must be revisited for DNG particles. Doutorado Telecomunicações e Telemática Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Hugo E. Hernandez Figueroa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação Resumo: Metamateriais são estruturas ou arranjos geométricos feitos a partir de materiais comuns, dielétricos, condutores, magnéticos ou por combinação destes. Os metamateriais caracterizam-se principalmente por apresentarem propriedades especiais de permissividade ( e) e permeabilidade ( µ) não encontradas nos materiais em estado natural, cujo principal efeito é o índice negativo de refração (n < 0). Essas características permitem seu emprego em diversos tipos de aplicações em eletromagnetismo e óptica, tais como filtros passa-faixa e rejeita-faixa, espelhos dielétricos, super lentes etc. Normalmente, o equacionamento envolvido no cálculo de parâmetros dos metamateriais são complexos e, na maioria das vezes, necessitam de apoio computacional. Por este motivo, o presente trabalho traz um estudo experimental sobre dois tipos de comportamento metamaterial, o de permissividade quase-zero e negativa, analisando seu desempenho sob vários aspectos geométricos e de características dos materiais envolvidos, além de propor uma metodologia de desenvolvimento, a qual possibilita um rápido dimensionamento de diversos tipos de grades metamateriais, baseada em cálculos simples ou consulta direta a tabelas e curvas de projeto. Abstract: Metamaterials are structures or geometric arrangements made from common materials, dielectrics, conductors, magnetic or a combination of these. Metamaterials are characterized mainly because of their special characteristics of permittivity ( e) and permeability ( µ), not found in the materials at natural state, whose main effect is the negative index of refraction (n

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação Resumo: Esse trabalho tem por objetivo desenvolver algoritmos bio-inspirados (Algoritmo Genético, Estratégia Evolutiva e Sistema Imunológico Artificial) eficientes (tempo de processamento e convergência), e flexíveis (multi-plataforma), para a otimização de dispositivos eletromagnéticos nos domínios da frequência e do tempo. Além disso, para satisfazer a demanda computacional requerida nessas otimizações, foram implementadas versões paralelas dos algoritmos bio-inspirados e do método das diferenças finitas no domínio tempo em três dimensões (FDTD 3D) para serem executados em cluster de computadores. A eficiência e flexibilidade dos algoritmos desenvolvidos foram confirmadas através da aplicação criteriosa de testes de desempenho disponíveis na literatura. Isto permitiu a proposta e simulação de novos e complexos dispositivos eletromagnéticos baseados em estruturas metamateriais Abstract: The objectives of this work are to develop efficient (runtime and convergence) and flexible (multiplatform) bio-inspired algorithms (Genetic Algorithm, Evolution Strategy and Artificial Immune System), for the optimization of electromagnetic devices either in frequency and time domain. In addition, to satisfy the computational requirements for these optimizations a parallel version of these bio-inspired algorithms and a three-dimensional finite difference time domain (3D FDTD) were developed capable to be processed in cluster computers. The successful performance of these parallel resources was confirmed by their careful assessment through key tests available in the specialized literature. This permitted the proposal and simulation of novel and complex electromagnetic devices based on metamaterial structures Doutorado Telecomunicações e Telemática Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Luiz Carlos Kretly Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Este trabalho apresenta a análise detalhada, simulações numéricas completas e os procedimentos para o projeto e a implementação de uma câmara GTEM -GigaHertz Transverse Electromagnetic- para análise de pré-conformidade em circuitos e sistemas eletrônicos. O sistema construído é capaz de realizar testes de EMC - Electromagnetic Compatibility, tanto de interferência - EMI quanto de susceptibilidade - EMS, na faixa de freqüência de 500 MHz - 18 GHz. O projeto apresenta uma inovação ao introduzir estruturas metamateriais na câmara tornando-a mais flexível na determinação da freqüência e níveis de RF e Microondas de teste. Os detalhes do projeto, simulações, a tecnologia de fabricação e medidas de validação da GTEM são descritos neste trabalho Abstract: In this work it is shown a detailed analysis, complete numerical simulations and the guidelines for the design and fabrication of a GTEM - GigaHertz Transverse Electromagnetic chamber, for pre-compliance tests of integrated circuits and electronic boards. With the built structure electromagnetic tests - EMC, including electromagnetic interference - EMI and immunity becomes feasible, on 500 MHz - 18 GHz frequency range. Besides that, an innovative concept is shown with the use of metamaterial technology applied to the GTEM chamber in order to make it more flexible in terms of frequency range. The design, simulation and fabrication strategy are clearly described along throughout this work Doutorado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Lucas Heitzmann Gabrielli Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: A extração de parâmetros eletromagnéticos efetivos amplia os estudos sobre a caracterização de amostras orgânicas, além de motivar o desenvolvimento de dispositivos fotônicos em faixas de frequências ainda em desenvolvimento, como terahertz. Neste trabalho, um algoritmo que parametriza o índice de refração complexo através do modelo de Lorentz foi implementado visando a obtenção desse parâmetro de amostras com diferentes concentrações de lactose em terahertz. O experimento foi realizado com um sistema de espectroscopia em terahertz no domínio do tempo na configuração de transmissão. Ainda, um estudo a respeito de metamateriais foi realizado e estruturas com células unitárias simples e híbridas foram simuladas na faixa de frequências de terahertz. Os parâmetros efetivos foram extraídos com um algoritmo que emprega as relações de Kramers-Kronig e métodos de otimização. Finalmente, filtros de metamateriais, baseados na geometria de anéis metálicos quadrados (split ring resonators), ressonantes na faixa de gigahertz foram projetados para a futura validação dos resultados simulados Abstract: The extraction of effective electromagnetic parameters improves the studies about the characterization of organic samples. Moreover, it motivates the development of photonic devices in frequency ranges which are still under development, like terahertz. In this work, an algorithm that parametrizes the complex refractive index through the Lorentz Model was implemented to obtain this parameter from samples with different concentrations of lactose in terahertz. The experiment was performed in a terahertz time domain spectroscopy system using the transmission configuration. Also, a study regarding metamaterials was done and strucures whose unit cells are simple and hybrid were proposed in terahertz frequencies. The effective electromagnetic parameters were obtained through an algorithm that employs the Kramers-Kronig relations and optimization methods. Finally, metamaterial filters, based on split ring resonators, resonant in gigahertz frequencies were projected for further validation of the simulated results Mestrado Telecomunicações e Telemática Mestra em Engenharia Elétrica CAPES

Orientadores: Thiago Pedro Mayer Alegre, Gustavo Silva Wiederhecker Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Cores são de grande importância para a forma como os humanos percebem e interagem com o mundo a seu redor. Por essa razão, desde os primórdios da civilização, a sociedade busca replicar as belas cores vistas na natureza. Devido a suas propriedades únicas refletores plasmônicos têm sido estudados como uma maneira de aumentar a resolução e a economia de energia de \textit{displays} de cores. Nesse trabalho, protótipos de refletores plasmônicos foram simulados e fabricados com o objetivo de obter cores vividas. Dois tipos de refletores foram estudados: refletores permanentes com qualidade de cores otimizada e sintonizáveis com variação de cor otimizada. Aqui, houve sucesso em replicar os resultados das simulações, em obter uma grande variedade de cores vivas em refletores permanentes e em fabricar algumas amostras sintonizáveis com cores de qualidade satisfatória e boa variabilidade de cor. Para isso, a dependência do Cristal Líquido como a tensão elétrica aplicada foi estudada e os parâmetros de fabricação por Litografia por Feixe de Elétrons e por Corrosão por Plasma de Ion Reativos foram refinados até a precisão de alguns nm. Ademais, para obter o acordo desejado com as simulações, algumas mudanças no modelo original foram necessárias para incluir a presença de uma camada de óxido de Silício nativo no substrato e a dependência das constantes óticas do filme fino de Alumínio com as características do filme Abstract: Color is of huge importance in the way humans perceive and interact with the world around them. For this reason, since the very beginning of human civilization society has strived to find ways to reproduce the beautiful colors seen in nature. Plamonic reflectors are being studied, due to their unique properties, as a way of increasing the resolution and energy economy in color displays. In this work, prototypes of plasmonic reflectors are simulated and fabricated aiming to obtain vivid colors. Two types of reflectors are studied, permanent reflectors with optimized color quality and tunable reflectors with optimized color range. Here, we succeed on replicating the simulation results, obtaining a wide range of vivid colors for permanent reflectors and fabricating a few tunable samples with satisfying color quality and tunability range. In order to do so, the behaviour of Liquid Crystals as a function of the applied tension was studied and the fabrication parameters of Electron Beam Lithography and ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching) were fully optimized to acquire a precision of few nm. Furthermore, to obtain the desired agreement with the simulations, a couple of changes had to be made to the original model to include the presence of native silicon oxide on the substrate and the dependence of the Aluminium thin film optical constants on film characteristics Mestrado Física Aplicada Mestra em Física CNPQ 133166/2019-8

Orientador: José Maria Campos dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Os invólucros cilíndricos são frequentemente aplicados como elementos estruturais em engenharia e têm sido usados para muitas aplicações devido à sua favorável relação entre rigidez e peso. Mais recentemente, eles têm sido usados como novos materiais compostos periódicos conhecidos como Cristais Fonônicos, que são um arranjo periódico de células unitárias construídas como uma combinação de camadas com alta variação de impedância. A periodicidade gera espalhamento de onda de Bragg que produz bandas de parada ou bandas proibidas onde as ondas não se propagam. Este atributo nos permite buscar soluções novas e eficientes para o controle de ruídos e vibrações em estruturas. O objetivo desta tese é propor um novo elemento espectral baseado no modelo analítico de uma casca cilíndrica fechada com fluido interno, e aplicá-la ao cálculo da propagação de ondas em Cristais Fonônicos. Para atingir esse objetivo, o método do Elemento Espectral de Onda é aplicado para calcular as bandas proibidas em um Cristal Fonônico de casca cilíndrica cheia de fluido cujas propriedades elásticas variam periodicamente. A motivação é desenvolver uma nova formulação de um elemento espectral de casca cilíndrica preenchida com fluido é preciso e eficiente para modelar a interação fluido-estrutura em uma estrutura desse tipo. A formulação é verificada quanto ao seu desempenho e eficiência no cálculo de estruturas do tipo casca em geral, e em estruturas periódicas do tipo Cristais Ponônicos elásticos em particular. Nesse sentido, as bandas proibidas geradas pelo efeito de espalhamento de Bragg e as bandas de atenuação das respostas forçadas são calculadas para Cristais Fonônicos modelados com o elemento espectral de casca cilíndrica proposto. O modelo de elemento espectral envolve resolver as equações de movimento no domínio da frequência e usa as soluções para derivar a matriz de rigidez dinâmica formulada de forma análoga ao método dos elementos finitos. Respostas livres e forçadas para cascas cilíndricas homogêneas são investigadas e os resultados são verificados com o método dos elementos finitos. Exemplos simulados usando estruturas convencionais e Cristais Fonônicos modelados com o elemento espectral de casca cilíndrica proposto (com e sem fluido interno) são apresentados e os resultados mostrados como diagramas de dispersão e respostas de deslocamento, os quais demonstram mesma precisão dos métodos comparados, tais como o método dos elementos finitos, mas com eficiência computacional bem superior Abstract: Cylindrical shells are frequently applied as structural elements in engineering, and have been used for many applications due to their favorable stiffness to weight ratio. More recently they have been used as new periodic composite materials known as Phononic Crystals, which are a periodic arrangement of unit cells built as a combination of layers with high impedance variation. Periodicity generates Bragg wave scattering that produces stop bands or Band Gaps where waves do not propagate. This attribute allows us to search for new and efficient solutions to control noise and vibration in structures. The aim of this thesis is to propose a new spectral element based on the analytical model of a closed cylindrical shell with internal fluid, and apply it to calculate the wave propagation in Phononic Crystals. To reach this goal, the Wave Spectral Element method is applied to compute band gaps in a fluid-filled cylindrical shell phononic crystal whose elastic properties vary periodically. The motivation is to demonstrate that the Fluid-Filled Cylindrical Shell Spectral Element is accurate and efficient for modeling fluid-structure interaction in a cylindrical shell with internal fluid. The formulation is verified and its performance and efficiency in calculating periodic structures and elastic Phononic Crystals are evaluated. In this sense, the Band Gaps generated by the Bragg scattering effect and the attenuation bands of forced responses are calculated for Phononic Crystals modeled with the proposed cylindrical shell spectral element. The Spectral Element model involves solving the governing equations of motion in the frequency domain and uses the solutions to derive the dynamic stiffness matrix formulated in a way analogous to the Finite Element method. Free and forced responses for homogeneous cylindrical shells are investigated and the results are verified with the finite element method. Simulated examples using conventional structures and Phononic Crystals modeled with the proposed cylindrical shell spectral element (with and without internal fluid) are presented and the results are shown as dispersion diagrams and displacement responses, which demonstrate the same accuracy as compared methods, such as the finite element method, but with much higher computational efficiency Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica CAPES 23038.001802/2015-08

Existem variados dispositivos cujo princípio de funcionamento é baseado na teoria das linhas de transmissão. Esta teoria é particularmente importante no estudo dos metamateriais onde, muitas vezes se utilizam modelos equivalentes de linhas de transmissão de modo a explicar o funcionamento de dispositivos complexos. Nesta dissertação pretende-se estudar a teoria da propagação em redes periódicas, com células unitárias que variam no tempo e que modelizam uma linha de transmissão com componentes variáveis (apenas a variação da capacidade é considerada). Mostra-se como se caracteriza a estrutura através da sua constante de propagação, impedância de Bloch, coeficiente de reflexão, terminações nos planos do gerador e carga. São analisados dois cenários: um com células unitárias sem perdas e outro com perdas. Conclui-se que para baixas perdas (caso usual), podemos sempre usar o modelo sem perdas como uma boa aproximação para linhas de transmissão reais. Estuda-se, de seguida, a propagação de impulsos na estrutura. O estudo é fundamentado com simulações numéricas usando um simulador SPICE. Analisa-se a propagação de um impulso gaussiano na estrutura com e sem transição temporal de capacidade. São considerados dois cenários. No primeiro, a transição ocorre de uma capacidade maior para uma menor. No segundo, a transição ocorre de uma capacidade menor para uma maior. Finalmente, são propostos vários circuitos elétricos para a criação de um condensador variável. Estes circuitos são desenhados tendo em conta dois cenários bastante diferentes: um em que existe conservação da carga e outro onde só existe conservação da energia. There are varied devices which the operation principle is based on the transmission line theory. This theory is particularly important in the transmission line study in order to explain the operation of complex devices. During this dissertation the goal is to study the propagation theory in periodic structures with unit cells that vary in time and shape the transmission line with variable components (just the variation of capacity is considered). Also, it’s shown how it’s characterized the structure through this propagation constant, Bloch impedance, reflection coefficient, terminations on the generator and load plans. Two scenarios are analysed: one with unit cells without loss and another one with loss. It was concluded that for small losses (usual case) we can always use a model without losses, with a good approximation to real transmission lines. Then, the impulse propagation in the structure is studied. The study is grounded with numerical simulations, using a SPICE simulator. The propagation of a gaussian impulse in the structure with and without temporal transition of capacity is analysed. Two scenarios are considered. Firstly, the transition occurs from a larger capacity to a smaller one. Secondly, the transition occurs from a smaller capacity to a bigger one. Finally, several circuits are proposed for the creation of a variable capacitor. This circuits, are designed considering two different scenarios: one where exists charge conservation an another where only exists energy conservation.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Com o crescimento da área de comunicações e o intenso estudo acerca de formas mais eficientes para transmissão e recepção de sinais eletromagnéticos, os circuitos impressos têm ganhado um destaque cada vez maior no cenário mundial, e com base nestes circuitos, destaca-se a aplicação de materiais artificiais, os metamateriais. A diferença essencial entre materiais convencionais e metamateriais é que, enquanto os materiais convencionais são definidos pelos seus átomos constituintes, os metamateriais são caracterizados por suas células unitárias constituintes, desta forma, a engenharia da construção destas estruturas pode criar uma resposta arbitrária, que não seria conseguido com um material convencional. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo propor a aplicabilidade de substratos metamateriais de baixo custo, em dispositivos planares. Para isso, serão apresentados diversos modelos de análises para estruturas metamateriais, desde a escolha das condições de contorno, até a aplicação da excitação adequada. Após a seleção do modelo de análise, será realizado um estudo partindo da caracterização de uma célula unitária metamaterial convencional, baseada em estruturas SRR (Split Ring Resonator). Em seguida, serão propostas modificações nestas células com a mudança na geometria do ressoador, e também com a aplicação de estruturas EBG (Electromagnetic Band Gap), de modo a adequar as respostas em frequência da célula ao projeto desejado. Por fim, será estudado a aplicação deste substrato em uma antena de microfita de patch retangular, em que serão analisados o coeficiente de reflexão, a impedância da antena, o ganho, o diagrama de radiação, o ângulo de -3dB, a distribuição de campo elétrico na antena, a distribuição da densidade superficial de corrente nas células propostas e por fim, o diagrama de Brillouin, para se comprovar as zonas proibidas criadas pela estrutura EBG. Desta forma, espera-se verificar a utilidade e importância cientifica do estudo proposto em sistemas atuais. With the growth of the communications area and the intense study of more efficient ways for the transmission and reception of electromagnetic signals, printed circuits have gained increasing prominence on the world stage, and based on these circuits, the application of artificial materials, they are the metamaterials. The essential difference between conventional materials and metamaterials is that, while conventional materials are defined by their constituent atoms, metamaterials are characterized by their constituent unit cells, in this way, the engineering of the construction of these structures can create an arbitrary response, which would not be achieved with a conventional material. In this context, this work aims to propose the applicability of low-cost metamaterial substrates in planar devices. For that, several analysis models for metamaterial structures will be presented, from the choice of boundary conditions, to the application of the appropriate excitation. After selecting the analysis model, a study will be carried out based on the characterization of a conventional unitary metamaterial cell, based on SRR (Split Ring Resonator) structures. Then, modifications to these cells will be proposed with a change in the resonator geometry, and with the application of EBG (Electromagnetic Band Gap) structures, in order to adapt the frequency responses of the cell to the desired project. Finally, the application of this substrate in a rectangular microstrip patch antenna will be studied, where the reflection coefficient, antenna impedance, gain, radiation diagram, 3dB angle, electric field distribution, on the antenna, the distribution of the surface current density, in the proposed cells, and finally, the Brillouin diagram, to prove the prohibited zones created by the EBG structure, will be analyzed. Thus, it is expected to verify the usefulness and scientific importance of the study proposed in current systems.

Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, ramo de especialização em Telecomunicações, orientada pelos Professores Doutores Mário Gonçalo Mestre Veríssimo Silveirinha e Tiago André Nogueira Morgado e apresentada no Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Nanophotonics is a field of research dedicated to study the interactions of nanosized-objects with light. One of the goals of nanophotonics is to enable the miniaturization of optical components at a competitive scale with microelectronics. There are several rewards in using light based technologies, such as building photonic circuits that are not only smaller but faster and more efficient than the electronic counterparts, new solar cells that have enhanced energy absorption, nano-optical sensors able to detect ultralow concentrations of molecules in chemical solutions, amongst many others. My work aims to contribute to this field of research by exploring new mechanisms to accomplish an efficient spatial confinement of light. This thesis is devoted to the analytical and numerical study of three different ways to confine light in the nanoscale. First, we investigate light trapping in open plasmonic resonators (metaatoms) with different shapes. It is found that in some conditions complexshaped dielectric cavities may support discrete light states screened by volume plasmons that in the limit of a vanishing material loss have an infinite lifetime. The embedded eigenstates can be efficiently pumped with a plane wave excitation when the meta-atom core has a nonlinear response, such that the trapped light energy is precisely quantized. Then, we investigate how the spatial dispersion effects, e.g., caused by the electron-electron interactions in a metal, affect these trapped eigenstates in three-dimensional open plasmonic resonators. Heuristically, one may expect that the repulsive-type electron-electron interactions should act against light localization, and thereby that they should have a negative impact on the formation of the embedded eigenstates. Surprisingly, it is found that the nonlocality of the material response creates new degrees of freedom and relaxes the requirements for the observation of trapped light. In particular, a zero-permittivity condition is no longer mandatory and the same resonator shell can potentially suppress the radiation loss at multiple frequencies. The possibility to trap and guide light in wire metamaterials is also investigated. Specifically, we investigate the guided modes supported by a metamaterial slab formed by two mutually orthogonal and nonconnected sets of parallel metallic wires. It is demonstrated that the wire medium slab has a peculiar comb-like dispersion diagram. In the continuum approximation, the metamaterial supports a diverging number of guided mode branches that accumulate near the light line due to a strong hyperbolic response in the static limit. In a realistic system, the number of guided modes branches is finite and is determined by the density of wires. Remarkably, the guided modes may be characterized by a fast field variation along the transverse direction, which can be exploited to detect subwavelength particles or defects. Lastly, we investigated topological trapped states in photonic crystals. We show that in one-dimensional periodic systems the number of bands below a band gap determines the topological Chern number of an extended system with a synthetic dimension. It is theoretically and numerically demonstrated that in real-space the Chern number gives the number of gapless trapped state branches localized at the interface of the photonic crystal, when its geometry is continuously displaced by one lattice period. Furthermore, we introduce a novel class of topological systems with inversion-symmetry and fractional (non-integral) Chern numbers. It is proven that the non-integral topological number arises due to the discontinuous behaviour of the Hamiltonian in the spectral domain. We introduce a bulk-edge correspondence that links the number of edge-states with the fractional topological number. A nano-fotónica é uma área de investigação dedicada ao estudo das interacções da luz com objectos nanométricos. Um dos objectivos da nanofotónica é possibilitar a miniaturização de componentes ópticos para uma escala competitiva com a microelectrónica. Existem vários benefícios em usar tecnologia fotónica, como a construção de circuitos fotónicos com pequenas dimensões que não são apenas mais rápidos mas também mais eficientes do que as suas contrapartes eletrónicas, novas células solares com uma maior absorção energética, sensores nano-ópticos capazes de detectar concentrações extremamente baixas de moléculas em soluções químicas, entre outros. O objectivo principal do meu trabalho é contribuir para esta área de investigação, explorando novos mecanismos de confinamento espacial da luz de forma eficiente. Esta tese é dedicada ao estudo analítico e numérico de três mecanismos diferentes de confinar a luz à nano-escala. Em primeiro lugar, é investigado o aprisionamento da luz em ressoadores plasmónicos abertos (meta-átomos) de diferentes geometrias. É mostrado que, em certas condições, cavidades dieléctricas de geometrias complexas podem suportar estado fotónicos discretos que, no limite em que as perdas materiais são nulas, possuem tempos de vida infinitos. Estes estados surgem devido à acção dos plasmões de volume suportados pela camada plasmónica exterior do meta-átomo e podem ser excitados eficientemente por uma onda plana quando o núcleo do ressoador possui uma resposta não-linear. Demonstra-se que a energia aprisionada no núcleo do ressoador é precisamente quantizada. Depois, é investigado o impacto dos efeitos de dispersão espacial, causados por exemplo pelas interacções electrão-electrão em metais, nos estados próprios embebidos suportados por ressoadores abertos plasmónicos tridimensionais. Heuristicamente, seria de esperar que as interacções repulsivas electrão-electrão agissem de maneira deteriorante no mecanismo de localização de luz e, portanto, tivessem um impacto negativo na formação dos estados próprios embebidos. Surpreendentemente, é mostrado neste trabalho que a dispersão não-local do material que encapsula o meta-átomo dá origem a novos graus de liberdade e relaxa os requisitos necessários ao aprisionamento da luz. Em particular, a condição que exige que o material da cápsula exiba uma permitividade exactamente igual a zero deixa de ser obrigatória, passando a ser possível que a mesma cápsula suprima a perda por radiação em várias frequências. É estudada de seguida a possibilidade de aprisionar e guiar luz em metamateriais de fios metálicos. Especificamente, investigamos os modos guiados suportados por um metamaterial formado por dois planos de fios metálicos mutuamente ortogonais. É demonstrado que o meio de fios tem um diagrama de dispersão peculiar, semelhante a um pente. No limite em que o material é visto como um meio contínuo (homogeneizado), o metamaterial suporta um número divergente de “ramos” de modos guiados que se acumulam junto à linha da luz devido à forte resposta hiperbólica do metamaterial no limite estático. Num sistema realista, o número de ramos é finito e determinado pela densidade de fios. Curiosamente, os modos são caracterizados por uma variação do campo rápida na direcção transversal, que pode ser explorada na detecção de partículas e defeitos de dimensão sub-lambda. Por último, são investigados modos de luz topologicamente aprisionados em cristais fotónicos. São estudadas as propriedades topológicas de sistemas periódicos unidimensionais, e é mostrado que o número de bandas abaixo do hiato de frequências determina o número de Chern de um sistema extendido com uma dimensão sintética. É demonstrado teórica e numericamente que, no espaço-real, o número de Chern determina o número de estados aprisionados na interface de um cristal fotónico no intervalo de frequências da banda não-propagante, quando a sua geometria sofre uma deslocação contínua de um período de estrutura. Além disso, é introduzida uma nova classe de sistemas topológicos com inversão de simetria e números de Chern fraccionários. É provado que o número topológico fraccionário é devido às descontinuidades do Hamiltoniano no domínio espectral. É introduzida uma correspondência volume-interface que liga o número de estados de interface com o número topológico fraccionário. Instituto de Telecomunicações

Trabalho não financiado por agência de fomento, ou autofinanciado Os sistemas de comunicação sem fio (Wireless) vêm se desenvolvendo constantemente devido a demanda de velocidades de transmissão de dados mais elevados, serviços em diversas frequências e aplicações. Assim, são necessárias implementações a partir de estudos paramétricos, de novos métodos e dispositivos capazes de atender o aumento da versatilidade, confiabilidade e escalabilidade desta tecnologia. Nesta perspectiva, este trabalho apresenta um estudo paramétrico de perda de retorno, frequência de ressonância e largura de banda, diagrama de radiação, densidade de fluxo de corrente, carta de Smith e VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), em antenas de microfita com alterações no plano de terra, formando estruturas DGS (Defected Ground Structures), a partir da inserção de elementos SETR (Split Equilateral Triangle Resonator) modeladas no software HFSS® para simulações e fabricadas para medições no VNA (Vector Network Analyzer) modelo Rohde & Schwarz® ZND. Com isto, foram feitas comparações entre os resultados simulados e medidos, para análises e comprovação dos métodos e materiais, utilizados e fabricados. Os resultados apontaram que as antenas obtiveram vários modos ressonantes, nas faixas comumente utilizadas em telecomunicações para comunicações móveis e tecnologia 5G, entre 2,2GHz – 2,35GHz e 3,5GHz – 4,1GHz Wireless communication systems (Wireless) have been constantly developing due to the demand for higher data transmission speeds, services at different frequencies and applications. Thus, implementations are necessary based on parametric studies, new methods and devices capable of meeting the increased versatility, reliability and scalability of this technology. In this perspective, this work presents a parametric study of return loss, resonant frequency and bandwidth, radiation diagram, current flow density, Smith chart and VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) in microstrip antennas with changes in the ground plane, forming DGS (Defected Ground Structures), from the insertion of SETR (Split Equilateral Triangle Resonator) metamaterial elements and simulated in the software HFSS® for theoretical measurements, manufactured and simulated in VNA (Vector Network Analyzer) for practical measurements. With this, comparisons were made between the simulated and measured results, for analysis and verification of the methods and materials, used and manufactured. The results showed that the antennas obtained several resonant modes, in the bands commonly used in telecommunications, between 2.2 GHz and 2.35 GHz and 3.5 GHz and 4.1 GHz

Agência 1 Os dispositivos portáteis de quinta geração (5G) suportarão diversos serviços usando diferentes faixas de frequência, incluindo a segunda faixa de frequência (FR2), de 24,25 GHz a 52,60 GHz. O FR2 fornecerá altas taxas de dados, ≈2,15 Gbit/s para downlink e ≈2,37 Mbit/s para uplink, no entanto, a característica dispersiva dos canais, a complexidade na fabricação dos dispositivos e a alta perda na propagação no espaço livre, são alguns dos fatores limitantes dessa faixa de frequência. O desempenho da rede dependerá do uso de antenas de alto desempenho, dispositivos reconfiguráveis, custos reduzidos, entre outros aspectos. Esta tese apresenta um arranjo de antenas operando em ondas milimétricas, leve, de baixo custo (protótipo inicial no valor de ≈250 reais) e com reconfiguração de feixe em azimute e elevação. A principal inovação é a rede de alimentação eletricamente reconfigurável baseada em metamateriais com baixa perda de inserção, operação linear e número reduzido de estágios. Essa rede modifica a direção do feixe por meio da reconfiguração de fase sem interferir no desempenho do arranjo de antenas. Adicionalmente, uma técnica de elementos parasitas foi aplicada para melhorar a largura de faixa e o ganho do arranjo. O projeto baseia-se em cálculos analíticos e simulações numéricas conduzidas pelo software ANSYS HFSS. O desempenho do arranjo em termos de acoplamento mútuo foi investigado para avaliar a aplicabilidade da abordagem em sistemas de múltiplas antenas. A abordagem tem um tamanho total de 6×6 cm, compacto o suficiente para operar dentro de um aparelho de telefonia móvel. Todos os pré-requisitos estabelecidos de projeto foram alcançados, resultando em um arranjo de antenas com um ganho de 12,5 dBi, largura de faixa de 2,8 GHz, reconfigurabilidade do feixe de ≈20∘, tamanho total de 6x6 cm, lobos secundários abaixo de -10 dB e acoplamento mútuo de -50 dB. The handheld devices for the fifth-generation (5G) of mobile communications will support diverse services using different frequency bands, including the Second Frequency Range (FR2), from 24.25 GHz to 52.60 GHz. This millimeter-wave (mm-waves) bandwidth provides high data rates, i.e. ≈2.15 Gbit/s for downlink and ≈2.37 Mbit/s up-link, however, the characteristics of the channels, devices manufacturing, and the high free space losses are some of the limiting factors of this frequency range. The network effectiveness will then depend directly on the use of high-performance antennas, reconfigurable devices, reduced costs, among other aspects. Taking advantage of the needs of 5G systems, this thesis presents a low-cost (initial prototype worth ≈250 reais), lightweight antenna array with reconfigurable two-dimensional beam steering (azimuth and elevation) to operate in millimeter waves. The main innovation is the antenna feed network based on metamaterials with low insertion loss, linearity operation, and reduced stage number. This network performs the beam steering through phase reconfiguration without interfering with the antenna array performance. Additionally, a parasitic patches technique was applied in order to improve gain and bandwidth. The project methodology is based on analytical calculations and numerical simulations were carried out using the software Ansys HFSS. The array performance has been analyzed in terms of the mutual coupling to evaluate its possible application in a multi-antennas system. The approach has a total size of 6×6 cm, compact enough to operate inside a mobile phone. All pre-set design requirements were achieved, resulting in an antenna array gain of 12.5 dBi, 2.8 GHz bandwidth, reconfigurability of 20∘, sidelobe level below 10 dB and mutual coupling lower than -50 dB.

Achieving zero backward scattering (ZBS) and zero forward scattering (ZFS), i.e., the so-called the first and second Kerker's conditions respectively, by sphere spherical particles is considered to be impossible due to the unavailability of naturally occurring magnetic materials in the visible frequency range. We report theoretical modeling to design composite metamaterials that present large optical magnetic permeability in the visible frequency range by employing Mie scattering theory and extended Maxwell Garnett theory. We numerically show that a careful selection of constituents of a composite metamaterial one can obtain metamaterials with sufficiently large artificial permeability that eventually provides the Kerker's criterion to achieve the Kereker's conditions. By taking realistic material parameters we demonstrate that the metamaterials exhibiting ZBS and ZFS have a small imaginary part of the refractive index than metallic structures that pave a path to design high-performance nanophotonic devices., 7 pages, 3 Figures

Orientador: Prof. Dr. Cícero Ribeiro de Lima Coorientador: Prof. Dr. Sandro Luis Vatanabe Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Santo André, 2020. Mecanismos flexíveis realizam determinadas funções a partir da deformação elástica de seu corpo, evitando o uso de juntas, pinos e rolamentos. Isso evita montagem e problemas como o atrito entre componentes. Mecanismos flexíveis possuem grande aplicação em aparelhos que envolvem mecânica de precisão devido à sua alta precisão dada pelo menor desgaste e pelas folgas reduzidas. Na Engenharia Biomédica, mecanismos flexíveis têm grande aplicação no projeto de instrumentos cirúrgicos, facilitando a esterilização devido ao número reduzido de componentes. Dada a sua aplicação em microescala, mecanismos flexíveis podem ser usados na fabricação de MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Outra possível aplicação é na fabricação de LEMS (Lamina Emergent Mechanisms), que são mecanismos fabricados de materiais planos com movimento que emerge de seu plano. Neste trabalho, o projeto de mecanismos flexíveis também é utilizado para desenvolver um metamaterial, que é uma estrutura projetada para ter propriedades extremas não encontradas na forma natural dos materiais. Neste caso a propriedade desejada é o coeficiente de Poisson negativo, que define uma estrutura auxética. O método da otimização topológica (OT) tem se mostrado o mais genérico e sistemático para o projeto de mecanismos flexíveis. Consiste em um método que distribui material dentro de um domínio de modo a extremizar a função objetivo especificada. Neste trabalho a OT é realizada em domínios discretizados em elementos de barras (ground structure), onde as áreas das seções transversais dos elementos são as variáveis de projeto. São considerados grandes deslocamentos, o que estabelece uma relação não linear entre deformação e deslocamento e requer o uso do MEF não linear. O objetivo desse trabalho é implementar uma metodologia para projeto de mecanismos flexíveis com grandes deslocamentos usando domínios discretos. O problema de otimização está sujeito à restrição de volume, na qual a função objetivo busca maximizar o deslocamento em uma dada região do domínio da estrutura quando submetida a um dado carregamento em outra região. Os resultados demonstram que é possível projetar mecanismos flexíveis com grandes deslocamentos por meio desta metodologia. Compliant mechanisms perform certain functions from the elastic deformation of its body, thus avoiding the use of joints, pins and bearings. This avoids assembly and problems such as friction between components. Compliant mechanisms have great application in devices that involve precision mechanics due to their high precision because of the reduced wear and reduced clearances. In biomedical engineering, compliant mechanisms have great application in the design of surgical instruments, facilitating sterilization by reason of the reduced number of components. Owing to its microscale application, compliant mechanisms can be used in the manufacture of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Another possible application is in the manufacture of LEMS (Lamina Emergent Mechanisms), which are mechanisms made of flat materials with movement that emerges from its plan. In this work, the design of compliant mechanisms is also used to engineer a metamaterial, that is a structure designed to have extremal properties not found in naturally occurring materials. In this case the desired property is the negative Poisson¿s ratio, which defines the so called auxetic structure. The topology optimization method has been shown to be the most generic and systematic for the design of compliant mechanisms. It consists of a method that distributes material within a domain in order to achieve the specified objective function. In this work TO is performed in discretized domains in truss elements (ground structure), where the cross-sectional areas of the elements are the design variables. Large displacements are considered, which establishes a nonlinear relation between deformation and displacement and requires the use of nonlinear FEM. The objective of this work is to develop a methodology to design compliant mechanisms with large displacements by using discrete domains. The optimization problem is subject to volume constraint where the objective function is to maximize the displacement in a given region of the structure domain when subjected to a given load in another region. The results demonstrate that compliant mechanisms with large displacements can be designed by using this methodology.

Orientador: José Maria Campos dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nesta tese, estruturas elásticas periódicas unidimensionais e bidimensionais são modeladas usando o método de elementos finitos das ondas (WFE), a fim de calcular bandas de frequências proibidas e respostas forçadas harmônicas para avaliar a atenuação de vibração estrutural. Bandas proibidas ou "band gaps", são faixas de frequência onde as ondas não podem se propagar. Band gaps ocorrem devido a estruturas que exibem alterações periódicas em sua geometria ou propriedade conhecidas como Cristais Fonônicos (PCs) ou a adição de ressonadores locais chamadas de Metamateriais Elásticos (EMs). Tais sistemas mecânicos foram estudados por vários pesquisadores nestas duas ultimas décadas e suas aplicações estruturais variam de barras a placas ou até estruturas tridimensionais. Uma contribuição deste trabalho consiste na modelagem de PCs e EMs para estruturas do tipo barra usando o WFE, bem como evidenciar a possibilidade da sua aplicação usando pacotes comerciais de elementos finitos. Nestes casos, os PCs são estruturas mecânicas periódicas cujo período é composto por elementos finitos de barra com propriedades do material ou geometrias contendo diferenças significativas. Os EMs são também estruturas periódicas onde o período é composto por elementos finitos de barra contendo um ou mais ressonadores locais mecânicos fixados periodicamente. Exemplos simulados por WFE são verificados com aqueles obtidos pelos métodos de elementos finitos (FE) convencional e do elemento espectral (SE), bem como são validados com os dados experimentais obtidos em uma barra de PC real. Outra contribuição é a modelagem por WFE de PCs usando estruturas do tipo pórtico e placa plana com período na forma triangular. Exemplos simulados de ambos modelos são verificados pelo método do FE. Também, EMs de estruturas tipo placa plana são modelados com ressonadores locais contínuos (CLR) usando o WFE. Um CLR é um modelo tridimensional de ressonador local. Resultados numéricos de um modelo de placa plana com CLRs periódicos sujeita à flexão são verificados pelo método do FE. Os dados experimentais obtidos em um ME de placa plana real, construído por manufatura aditiva, validam os resultados numéricos obtidos por WFE. A modelagem de PCs usando elementos finitos de barra de alta ordem formulados por WFE é apresentada. Resultados simulados por WFE com modelos de barra de alta são verificados com os do SE e validados com os dados experimentais de uma barra de PC real. Abstract: In this thesis, one-dimensional and two-dimensional periodic elastic structures are modeled using the finite element wave method (WFE), in order to calculate prohibited frequency bands and forced harmonic responses to assess the attenuation of structural vibration. Prohibited bands or "band gaps" are frequency bands where the waves cannot propagate. Band gaps occur due to structures that exhibit periodic changes in their geometry or properties known as Phonic Crystals (PCs) or the addition of local resonators called Elastic Metamaterials (EMs). Such mechanical systems have been studied by several researchers in the past two decades and their structural applications vary from rods to plates or even three-dimensional structures. A contribution of this work consists of the modeling of PCs and EMs for rod-type structures using WFE, as well as highlighting the possibility of its application using commercial finite element packages. In these cases, the PCs are periodic mechanical structures whose period is composed of finite rod elements with material properties or geometries containing significant differences. EMs are also periodic structures where the period is composed of finite rod elements containing one or more local mechanical resonators fixed periodically. Examples simulated by WFE are verified with those obtained by the conventional finite element (FE) and spectral element (SE) methods, as well as being validated with the experimental data obtained in a real PC rod. Another contribution is the WFE modeling of PCs using frame and flat plate structures with a triangular shape. Simulated examples of both models are verified by FE method. In addition, EMs of flat plate structures are modeled with continuous local resonators (CLR) using WFE. A CLR is a three-dimensional model of a local resonator. Numerical results of a flat plate model with periodic CLRs subject to bending are verified by FE method. The experimental data obtained in a real flat plate EM, built by additive manufacturing, validate the numerical results obtained by WFE. It also presents the modeling of PCs using high-order finite rod elements formulated by WFE. Results simulated by WFE with high rod models are verified with those of the SE and validated with the experimental data of a real PC rod. Doutorado Mecânica dos Corpos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica FAPEMAT BD-08788/17; 01415/17

Agradecimentos: The Brazilian authors acknowledge access to electron microscopy (LME) facilities at the National Nanotechnology Laboratory (LNNano, Brazil) and clean room facilities at both Semiconductor Component Center (CCSNano, UNICAMP) and Device Research Laboratory (IFGW, UNICAMP). The Brazilian authors also acknowledge access to the dual beam equipment at CCSNano, UNICAMP, and lithography facilities at LAMULT (IFGW, UNICAMP). We would also like to thank Dr. Richard Janissen (TUDelft) for technical assistance and fruitful discussions. This work was financially supported by the Brazilian agencies FAPESP (grant number 2015/16611-4), CAPES, CNPq (552491/2008-0 and 479486/2012-3) and carried out under the BRICS proposal (CNPq/BRICS - STI 441799/2016-7 and RFBR grant 18-57-70004) Abstract: Fabrication methodologies for integration of nano-objects into microscale devices is still an active area of research. Here we analyze possible methods of incorporation of semiconductor nanowires into lithographically-defined electrode pads. Mechanically-transferred InP nanowires were metallized into Au and Pt pads using a electron-beam-induced Pt metallization. Atomic and Kelvin Probe Force Microscopies show that a contamination of Pt on the nanowire and the region around it can prevent application of this technique to biosensors in which surface functionalization protocols must be applied as part of the fabrication methodology. Other transfer methods with more controlled nanowire positioning, such as nanotweezers, may be necessary to overcome this problem CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Aberto

Agradecimentos: This work was supported by Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, Brasil, Finance Code 001, National Counsel of Technological and Scientific Development, and São Paulo Research Foundation (Fapesp) through Grants 2018/15580-6, 2018/15577-5, 2016/18308-0, 2012/17610-3, and 2012/17765-7. Part of the results presented in this work were obtained through Project 4716-11, funded by Samsung Eletrônica da Amazônia Ltda., under the Brazilian Informatics Law 8.248/91. The authors thank the Center for Semiconductor Components and Nanotechnologies for the nanofabrication infrastructure Abstract: The desire to reproduce vivid colors such as those found in birds, fishes, flowers, and insects has driven extensive research into nanostructured surfaces especially because of their high spatial resolution. Using a periodic silicon-patterned structure coated with aluminum, we combine two distinct and yet interconnected effects to produce bright and vivid color surfaces. A genetic algorithm optimization process was used to fine-tune both the diffraction and plasmonic effects to obtain reflective color filters for the red, green, and blue colors. The obtained structures are suitable for displays, image applications, color sensors, and optical filters COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

This work reports micromagnetic simulations used to study magnetization reversal in kagome artificial spin ice, taking into account the actual edge imperfections presented by the magnetic nanoislands as a source of disorder. An important advantage of the micromagnetic approach is to discretize a magnetic element in nanometric domains, allowing access to the sample magnetic moments distribution in detail. The limit case of zero disorder is accessed considering a system composed of perfect magnetic islands. The main result is the prediction of a critical angle between the applied magnetic field and the direction of one of the sublattices, above which Dirac strings emerge. For lower values, the reversal occurs through a bidimensional fashion, being smooth or abrupt depending on whether or not roughness is present, respectively. Finally, our simulations open the question of how the contour imperfections really influence the magnetic response of artificial spin ice CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Neste trabalho apresenta-se o estudo de condutores magnéticos artificiais (AMC) sem vias para aplicação em antenas. O método de elementos finitos foi utilizado, por meio do software comercial COMSOL MULTIPHYSICS, para obter os resultados desta tese. A realização deste trabalho foi dividida em duas etapas que avaliam no primeiro momento como a geometria das inclusões metálicas modifica a frequência de ressonância do AMC, seguida de estudos sobre o acoplamento entre antena e o AMC devido às diferentes formas geométricas das inclusões metálicas. Na primeira etapa deste trabalho, diferentes formas geométricas foram analisadas. Como contribuição, observou-se que a redução na frequência de ressonância do AMC está associada ao aumento no comprimento efetivo das inclusões metálicas, desde que esse aumento no comprimento efetivo ocorra na mesma direção de polarização da onda incidente. Pautado nessa observação, a geometria meander line foi estudada e comparada a um patch quadrado utilizado como referência. Nesse contexto, outra contribuição refere-se à observação de uma redução na razão entre a primeira e a segunda frequência de ressonância do AMC e o aparecimento de diferentes bandas de operação, dependendo do número de meandros utilizados. De modo semelhante, ao utilizar a geometria meander line em elementos condutores de superfícies seletivas em frequência a miniaturização e o surgimento de diferentes bandas de operação também foram observados. Na segunda parte deste trabalho é desenvolvido um estudo sobre a interação entre antenas e AMC. Duas antenas são avaliadas, um dipolo e uma bowtie. Para os planos terra AMC, quatro geometrias são analisadas, incluindo a quadrada, circular, bowtie e a forma em U. As células unitárias são projetadas para a mesma frequência de operação. Nesta etapa, como contribuição, observou-se que, devido à forma do remendo metálico, a direção do ganho máximo no plano H pode ser rotacionada. Além disso, uma melhoria na largura de feixe de meia potência (HPBW) da antena é reportada. Ainda, o ganho, HPBW e a relação frente-costa dependem da posição da antena sobre o AMC e do número de células unitárias presente na matriz AMC. Os resultados sugerem que uma escolha cuidadosa da geometria do elemento condutor em um AMC, para aplicações de antena, é de fundamental importância. Palavras-chaves: Antenas, condutores magnéticos artificiais, metamateriais, metassuperfícies, superfície seletivas em frequência. This thesis addresses the study of artificial magnetic conductors (AMC) without vias for antennas applications. The results are supported by the commercial program COMSOL MULTIPHYSICS, a finite element software. This work is divided into two steps: first, it is evaluated how the metal inclusions geometry modify the AMC resonant frequency; and second, coupling effects between the antenna and AMC due to different geometric shapes for AMC metallic inclusions are studied. In the first stage, different geometric forms were analyzed. As a contribution, it was observed that the reduction in the resonant frequency of the AMC is associated with the increase in the effective length of the metallic inclusions, provided that this increase in effective length occurs in the same direction of incidente wave polarization. Based on this observation, the meander line geometry was studied and compared to a square patch, used as a reference. In this context, another contribution refers to the observation of a reduction in the ratio between the first and second AMC resonant frequency and the appearance of different operating bands, depending on the number of meanders used. Similarly, when using meander line geometry in a frequency selective surfaces metallic patch, the miniaturization and the appearance of different operating bands were also observed. In the second part of this work, a study on the interaction between antennas and AMC is developed. Two antennas are evaluated, a dipole and a bowtie. For the AMC ground plane, four geometries are analyzed, including the square, circular, bowtie and the U-shape. The unit cells are designed for the same operating frequency. In this step, as contribution, it was observed that, due to the shape of the metallic patch, the direction of the maximum gain in the H plane can be rotated. In addition, an improvement in the half-power beam (HPBW) of the antenna is reported. Further, the gain, HPBW and the front-back ratio depend on the antenna position over the AMC and the number of unit cells present in the AMC array. The results suggest that a careful choice of conductor element geometry in an AMC for antenna applications is of paramount importance. Keywords: Antennas, artificial magnetic conductors, metamaterials, metasurfaces, surface selectives frequency.

Tese de Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na especialidade de Telecomunicações, apresentada ao Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra The electromagnetic properties of naturally occurring materials do not always provide enough flexibility to obtain a desired electromagnetic response. The development of metamaterials has surpassed this limitation and opened the door to independently control and access new and exotic electromagnetic properties and functionalities, not directly available in Nature, relying on subwavelength artificial “atoms”. The idea of expanding the properties-spectrum of natural materials crafting artificial matter versions was put forward by V. G. Veselago in 1967, and since then the research field of “metamaterials” has dramatically evolved. New materials have emerged from this research field exhibiting extraordinary optical properties, such as negative refraction and optical magnetism. They are being exploited for a broad range of applications, spanning telecommunications, sensing and biomedicine, photovoltaics and solar cells, amongst others, over different frequency domains. Among the variety of media belonging to the class of metamaterials, a subclass has attracted significant attention due to its unique potentials in the manipulation of electromagnetic fields: “wire metamaterials”. In their simplest version, such materials are formed by optically dense arrays of aligned metal rods embedded into a dielectric host matrix. Through a combination of analytical modeling and numerical simulation, the main objective of this thesis is to investigate novel wave phenomena in wire metamaterial based platforms, as well as their prospective applications. The thesis focuses on four different problems/effects: (i) the subwavelength imaging and near-field transport by a multi-wire endoscope; it is shown that a wire medium endoscope can be quite robust to the effect of bending and allow for the near field transport with a deeply subwavelength resolution provided the total length of the bent wires satisfies the Fabry-Pérot condition. (ii) It describes a novel counterintuitive phenomenon of an anomalous light tunneling by two interlaced wire meshes; this effect is due to the destructive interference of the scattering by the two interlaced 3D wire meshes, which leads to a Fano-type resonance. (iii) It unveils a transparency effect with a topological origin; a mixture of two topologically distinct material phases, for example a metamaterial formed by metallic wire grid embedded in a magnetized plasma, may be “transparent” to electromagnetic waves in a spectral range wherein the individual material phases are strongly reflecting. (iv) It reports a mechanism to have exotic optical manipulations and lateral (recoil) forces on small particles placed nearby a reciprocal translation invariant substrate. The problems analyzed here can have applications in medical imaging, angular filtering and sensing, and in optical sorting and particle delivery. As propriedades eletromagnéticas dos materiais existentes na natureza nem sempre oferecem a flexibilidade suficiente para se obter uma resposta electromagnética desejada. O desenvolvimento dos metamateriais superou essa limitação e abriu a porta a novas e por vezes exóticas propriedades electromagnéticas, não diretamente disponíveis na Natureza. A ideia de expandir o espectro das propriedades de materiais naturais criando versões artificiais foi proposta por V. G. Veselago em 1967, e desde então o campo de investigação dos “metamateriais” evoluiu drasticamente. Novos materiais emergiram deste campo de pesquisa exibindo propriedades ópticas extraordinárias, como refracção negativa e magnetismo óptico. Estes materiais têm sido explorados para uma vasta gama de aplicações, abrangendo, entre outras, telecomunicações, sensores e biomedicina, células solares e fotovoltaicas, em diferentes domínios de frequência. Entre a variedade de estruturas pertencentes à classe dos metamateriais, uma subclasse tem atraído atenção significativa devido ao seu potencial único na manipulação de campos electromagnéticos: os metamateriais de fios metálicos (wire metamaterials). Na sua versão mais simples, tais materiais são formados por um agregado opticamente denso de fios metálicos alinhados embedidos num material dieléctrico. Através de uma combinação de modelagem analítica e simulação numérica, o objetivo principal desta tese é investigar novos fenómenos ondulatórios em plataformas baseadas em wire metamaterials, bem como suas potenciais aplicações. A tese tem como foco quatro problemas/efeitos diferentes: (i) “imaging” sub-λ (λ representa o comprimento de onda) e o transporte de campo próximo por um endoscópio formado por um agregado de fios metálicos; é mostrado que um endoscópio formado por um “wire medium” pode ser bastante robusto a flexões e permite o transporte de campo próximo com uma resolução profundamente sub-comprimento de onda, desde que o comprimento total dos fios dobrados satisfaça a condição de Fabry-Pérot. (ii) Descreve um novo fenómeno contra-intuitivo de tunelamento anómalo da luz por duas redes de fios metálicos entrelaçadas; este efeito é devido à interferência destrutiva da difusão da luz pelas duas redes de fios 3D entrelaçadas, que conduz a uma ressonância do tipo Fano. (iii) Revela um efeito de transparência com uma origem topológica; uma mistura de duas fases topologicamente distintas, por exemplo, um metamaterial formado por um grelhas metálicas embedidas num plasma magnetizado, pode ser “transparente” à propagação de ondas electromagnéticas numa gama espectral onde as fases individuais do material são fortemente reflectoras. (iv) Relata um mecanismo para ter manipulações ópticas exóticas e forças laterais em pequenas partículas colocadas na proximidade de um substrato recíproco invariante para translações. Os problemas analisados na tese têm potenciais aplicações em imagiologia médica, em sensores, e na separação/entrega óptica de partículas. Erasmus Mundus programme of the European Union - Al-Idrisi II

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019. O constante avanço tecnológico e no processo de manufatura proporcionam o crescimento da utilização de materiais com atributos físicos-mecânicos não alcançados por insumos convencionais, tais como materiais compósitos e metamateriais. Estes materiais apresentam propriedades vibroacústicas superioriores em regiões de médias e altas frequências, onde os métodos modais tradicionais não são aplicáveis. Parâmetros como número de onda, velocidade de grupo, densidade modal e potência dissipada caracterizam seu desempenho dinâmico e podem ser analisadas por métodos baseados em propagação de ondas. Diante disto, este trabalho apresenta uma investigação de métodos experimentais de caracterização do comportamento dinâmico de estruturas leves: painel compósito do tipo sanduíche com núcleo de honeycomb e vigas de poliamidas com e sem ressonadores mecânicos (metamateriais). Os painéis sanduíches compósitos se destacam devido à suas características de alta resistência combinadas a uma baixa massa específica. Já o metamaterial, destaca-se no controle de vibrações e ruído dados a sua capacidade de atenuação de vibração para certas bandas de frequência, denominado efeito bandgap. Foram analisados três métodos experimentais com o objetivo de obter o número de onda, o primeiro método utiliza a resposta em frequência em três pontos igualmente espaçados na estrutura, o segundo é denominado método de Séries de Fourier Discreta Regressiva (RDFS) em que utiliza o conceito de frequências espaciais e transformada discreta de Fourier e o último método emprega os pontos de máximos do coeficiente de correlação para estimar o número de onda. Uma análise preliminar foi realizada aplicando tais métodos às respostas dinâmicas experimentais de uma estrutura bem conhecida, uma viga de aço. A instrumentação e o sistema de aquisição foram adequadamente adotados para a realização dos ensaios experimentais para cada estrutura analisada, considerando fatores de sensibilidade, faixa de frequência de excitação e relação entre massa da amostra e a massa dos transdutores. Para as estruturas unidimensionais os resultados experimentais foram comparados a resultados analíticos calculados levando em consideração as suas propriedades e geometrias. Já para a estrutura bidimensional, painel compósito, os resultados experimentais são comparados a resultados numéricos presentes na literatura. Os resultados encontrados em todos os métodos aplicados são condizentes com os resultados analíticos e numéricos. No metamaterial foi possível identificar o efeito bandgap na frequência entre 1500 Hz a 1800 Hz. No entanto, o método de correlação mostrou-se mais preciso e com menos parâmetros a serem determinados em comparação aos demais métodos. The constant technological advancement in manufacturing processes allows the growing of the use of materials with physical-mechanical attributes not reached by conventional inputs, such as composites and metamateriais, providing superior dynamic performance. These materials present superior vibroacoustic properties in the mid and high frequency bands, where the classical modal approaches are not suitable. Parameters such as the wave number, group velocity, modal density and dissipated power can then be characterized by wave-based methods. This work makes an investigation of experimental methods aiming to characterize the dynamic behavior of light structures: honeycomb core composite sandwich panel and single polyamide beams and mechanical resonators (metamaterials). The composite sandwich panels stand out because of their high strength characteristics combined with a low specific mass, the metamaterial in the control of vibrations and noise given their ability to attenuation of vibration for certain bands of frequency, called bandgap effect. Three experimental methods were analyzed in order to obtain the wave number, the first method uses the frequency response at three equally spaced points in the structure, the second method is called the Regressive Discrete Fourier Series (RDFS) method in which it uses the concept of spatial frequencies and discrete Fourier transform and the latter method employs points of the correlation coefficient to estimate the wave number. A preliminary analysis was performed applying these methods to experimental dynamic responses of a well-known structure, a steel beam. The instrumentation and the acquisition system were appropriately adopted to perform the experimental tests for each structure analyzed, considering factors of sensitivity, frequency range of excitation and relation between mass of the sample and mass of the transducers. For the one-dimensional structures the experimental results were compared to calculate analytical results taking into account their properties and geometries. For the two-dimensional composite panel, the experimental data are compared to numerical from the literature. The results founded in all of the methods are consistent with the analytical and numerical results. In the metamaterial case, it was possible to identify the bandgap effect in the frequency between 1500 Hz and 1800 Hz. However, the correlation method was more accurate and with fewer parameters to be determined in comparison to the other methods.

Com o advento dos metamateriais, inúmeras inovações na área do eletromagnetismo passaram a ser observadas, como a construção de dispositivos que possuem permissividade ou permeabilidade negativa, ou mesmo dispositivos que possuem ambas negativas. As pesquisas de metamateriais ainda são recentes e poucos são os trabalhos que tratam sobre a metodologia de caracterização dielétrica desses dispositivos. Estudos sobre absorvedores, metamateriais e sua caracterização têm recebido sensível importância por parte das indústrias de defesa, empresas de material militar e institutos de pesquisas e desenvolvimento, posto que os metamateriais têm substituído diversos materiais naturais em vasta gama de aplicações de dispositivos de micro-ondas. Este trabalho apresenta um estudo sobre a caracterização de metamateriais absorvedores de radiação eletromagnética. Inicialmente, uma análise detalhada sobre os métodos de caracterização eletromagnética e as suas principais características é realizada. Durante o pro cesso de coletânea dos métodos de caracterização dielétrica, as características das amostras a serem medidas, as peculiaridades da calibração e montagem de dispositivos de medidas são exploradas de forma a se criar uma metodologia de determinação de qual é o método mais adequado para medir-se uma amostra disponível. De maneira inversa, também são discutidas quais seriam as amostras que poderiam ser medidas com um dispositivo de medidas já adquirido em determinado laboratório. Algoritmos de conversão de parâmetros de espalhamento em permissividade e permeabilidade são apresentados com o objetivo de facilitar a compreensão dessa fundamental atividade do processo de caracterização dos metamateriais. Como complemento, os métodos da linha de transmissão e do espaço livre têm sua fundamentação teórica apresentada de forma a possibilitar a determinação dos tensores de permissividade e de permeabilidade de amostras anisotrópicas. Finalmente, a caracterização dielétrica de absorvedores é implementada empregando a teoria desenvolvida, de forma a buscar obter-se as propriedades das amostras de absorve- dores naturais e de absorvedores baseados em metamateriais disponíveis. Os absorvedores naturais apresentaram valores positivos para a permissividade elétrica real e imaginária medidas. A amostra de metamaterial caracterizada apresentou permissividade negativa. To dos os absorvedores medidos são não magnéticos, posto que apresentaram permeabilidade magnética igual a um, com permeabilidade imaginária nula. Embora tenham sido empregados métodos para a determinação de tensores das amostras medidas, nenhuma delas apresentou anisotropia. Ambas as medidas foram realizadas na faixa de 8,2 a 12,4 GHz. Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Defesa do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Defesa. With the advent of metamaterials, innumerable innovations in the eld of electro- magnetism have come to b e observed, such as the construction of devices that have ne- gative p ermittivity or p ermeability or even devices that have b oth negative. Research on metamaterials is still recent and there are few studies on the dielectric characterization metho dology of these devices. Studies on absorb ers, metamaterials and their characte- rization have received signi cant imp ortance from defense industries, military hardware companies and research and development institutes, as metamaterials have replaced many natural materials in a wide range of microwave device applications. Brazilian Navy Elec- tronic Warfare Center and the Brazilian Navy Research Institute have b een working to meet the recent demands addressed by the Navy Science and Technology Policy. This work adresses a study ab out the characterization of electromagnetic radiation absorbing metamaterials. Initially, a detailed analysis of the electromagnetic characteriza- tion metho ds and their main characteristics is p erformed. During the pro cess of collecting the dielectric characterization metho ds, the characteristics of the samples to b e measured, the p eculiarities of calibration and measurement setups are explored in order to create a metho dology to determine which is the most appropriate metho d to measure an available sample. Conversely, it is also discussed which samples could b e measured with an already purchased setup in a given lab oratory. Algorithms for scattering parameter conversion into p ermittivity and p ermeability are presented with the ob jective of facilitating the com- prehension of this fundamental activity of the metamaterials characterization pro cess. As a complement, the transmission line and free space metho ds have their theoretical foun- dation presented in order to allow the determination of the p ermittivity and p ermeability tensors of anisotropic samples. Finally, the dielectric characterization of absorb ers is im- plemented using the develop ed theory, in order to obtain the prop erties of samples of available natural absorb ers and metamaterial based absorb ers. Natural absorb ers showed p ositive values for the real and imaginary electrical p ermeability measured. The cha- racterized metamaterial sample presented negative p ermittivity. All absorb ers measured are non-magnetic, since they had magnetic p ermeability equal to one, with no imaginary p ermittivity. From the comparison of the absorbance obtained for samples of natural ma- terials and samples of metamaterials, it was found that absorb ers based on metamaterials have higher absorption e ciency. Although metho ds were used to determine tensors of the measured samples, none of them presented anisotropy. Both measures were taken from 8,2 to 12,4 GHz.

Orientador: Yuzo Iano Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: A espectroscopia dielétrica em micro-ondas é a medida da permissividade complexa em função da frequência para determinar várias propriedades físicas e químicas de materiais na faixa do espectro eletromagnético de micro-ondas. Para a realização da espectroscopia dielétrica em micro-ondas é necessário um dispositivo ou sensor e uma instrumentação de que realize a excitação e medida das propriedades associadas à reflexão e transmissão de sinais elétricos em frequências de micro-ondas, sendo que geralmente é utilizado um analisador de redes. Neste trabalho são apresentadas contribuições para a espectroscopia dielétrica em micro-ondas, sendo uma das contribuições a utilização das plataformas conhecidas como rádio definido por software em substituição ao analisador de redes, com as vantagens de que o rádio definido por software ser mais flexível de configurar e operar, além de ter um custo menor do que um analisador de redes. Outra contribuição é o desenvolvimento de um sensor para a espectroscopia dielétrica de líquidos baseado em uma estrutura metamaterial de ressonador complementar de anel partido (complementary split ring resonator - CSRR), onde as amostras líquidas são colocadas em tubos capilares de vidros normais à superfície do sensor, o que torna o sensor proposto mais compacto, de baixo custo, sem contato com a amostra, reutilizável, fácil de fabricar e fácil de utilizar. O sensor foi testado com sucesso na detecção da presença de água em etanol Abstract: Microwave dielectric spectroscopy measures the complex permittivity as a function of frequency to determine various physical and chemical properties of materials in the range of the microwave electromagnetic spectrum. To perform microwave dielectric spectroscopy a device or sensor is required and instrumentation that perform the excitation and measurement of properties associated with the reflection and transmission of electrical signals in the microwave frequency, and is usually used a network analyzer. This work presents contributions to the microwave dielectric spectroscopy, one of the contributions is the use of the platforms known as software-defined radio replacing the network analyzer instrumentation, with the advantages that software-defined radio is more flexible to configure and operate, besides of having a lower cost than a network analyzer. Another contribution is the development of a sensor for liquid dielectric spectroscopy based on a complementary split ring resonator (CSRR) metamaterial structure, where the liquid samples are placed in glass capillary tubes normal on the surface of the sensor, which makes the proposed sensor more compact, low-cost, contactless, reusable, simple to manufacture and easy to use. The sensor was successfully tested to detect the presence of water in ethanol Doutorado Telecomunicações e Telemática Doutor em Engenharia Elétrica

The term “analogous gravity” refers to a research programme whose purpose is to investigate analogues of gravitational fields, from the perspective of general relativity, in physical systems of other areas, aiming to obtain a better understanding of both systems involved. Analogies have proved important in physics and mathematics, for an analogy taken meticulously to a specific problem may be able to suggest unexpected routes to a possible solution. Thus, examples of analogous gravitational models date back to the beginnings of general relativity. With the development of nanotechnology, an alternative to obtaining similar gravitational and cosmological models is through the study of light propagation in metamaterials. These are artificially constructed, so that their electromagnetic properties can be carefully modeled because they derive from the same artificial structure. By virtue of this freedom, it has become possible to emulate a temporal behavior in one of the three spatial coordinates, simulating, for example, a 2+1 spacetime. In this work, through a theoretical study in hyperbolic and electronic metamaterials, we establish analogous models for two systems: the compact Milne universe, which represents a simple model of cosmic singularity in cyclic cosmological models, and the signature transition between a Minkowski spacetime and a kleinian spacetime, the latter being characterized by being endowed with two time-type coordinates. In both cases, through an analysis in the framework of wave optics, we will see how the behavior of a Klein-Gordon scalar field can be reproduced in the corresponding material medium. In addition, in the context of the Milne universe, we will show that the classical behavior, that is, the timelike and spacelike geodesics can also be reproduced in the metamaterial by the trajectories described by the light rays. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq O termo “gravidade análoga” remete a um campo de pesquisa cujo objetivo consiste em investigar análogos dos campos gravitacionais, sob a perspectiva da relatividade geral, em sistemas físicos de outras áreas, almejando assim obter uma melhor compreensão de ambos os sistemas envolvidos. Analogias têm se mostrado importantes na física e na matemática, pois, uma analogia tomada de forma meticulosa para um problema específico pode ser capaz de sugerir caminhos inesperados para uma possível solução do problema primitivo. Diante disso, exemplos de modelos análogos gravitacionais datam desde os primórdios da relatividade geral. Com o desenvolvimento da nanotecnologia, uma alternativa para a obtenção de modelos gravitacionais e cosmológicos análogos é através do estudo da propagação luminosa em metamateriais. Estes são construídos artificialmente, de modo que suas propriedades eletromagnéticas podem ser modeladas de forma cuidadosa, pois derivam dessa mesma estrutura artificial. Em virtude dessa liberdade, tornou-se possível emular um comportamento temporal em uma das três coordenadas espaciais, simulando, por exemplo, um espaço-tempo de 2 + 1 dimensões. Neste trabalho, mediante um estudo teórico em metamateriais hiperbólicos e eletrônicos, estabelecemos modelos análogos para dois sistemas: o universo compacto de Milne, o qual representa um modelo simples de singularidade cósmica em modelos cosmológicos cíclicos, e a transição de assinatura entre um espaço-tempo de Minkowski e um espaço-tempo kleiniano, sendo este último caracterizado por ser dotado de duas coordenadas do tipo tempo. Em ambos os casos, mediante uma análise via óptica ondulatória, veremos como o comportamento de um campo escalar de Klein-Gordon pode ser reproduzido nos meios materiais correspondentes. Adicionalmente, no contexto do universo de Milne, mostraremos que o comportamento clássico, isto é, as geodésicas do tipo tempo e do tipo espaço também são reproduzidas no metamaterial pelas trajetórias descritas pelos raios luminosos.

Orientador: José Maria Campos dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A análise dos problemas de vibração tem crescido ao longo dos anos. Uma abordagem alternativa utilizada para atenuar seus efeitos, é projetar estruturas periódicas, variando as propriedades dos material, gerando bandas proibidas (\textit{band gaps}), que são faixas de frequência nas quais não há propagação de ondas elásticas. No presente trabalho, um novo método para analisar propagação de ondas em estruturas é proposto. Este consiste em reescrever um problema de valor de contorno em um problema de valor inicial. A equação do movimento é representada na forma de estados e reescrita em termos de impedância mecânica, produzindo uma Equação Diferencial de Riccati. Com a impedância calculada, é possível estabelecer uma condição que permite obter o estado completo e consequentemente a matriz de transferência, a qual pode ser reformulada na forma de uma matriz de rigidez dinâmica espectral. Exemplos numéricos são simulados para estruturas periódicas unidimensionais do tipo barra, com variação da seção transversal. O critério de convergência e a eficiência do método são apresentados e discutidos. Os diagramas de dispersão e a resposta forçada são obtidos e os resultados são comparados com aqueles dos métodos analíticos e semi-analíticos encontrados na literatura Abstract: The problems of vibrations in structures have been relevant over the years. An alternative approach to control its effects is to design periodic schemes, varying as material properties, providing forbidden bands (band gaps), are frequency zones in which there is no propagation of elastic waves. In the present work, a new method to analyze the propagation of waves in structures is proposed. This consists of rewrite a boundary value problem into an initial value problem. The equation of motion is represented in the form of states and rewritten in terms of mechanical impedance, yielding a Riccati Differential Equation. With the calculated impedance, it is possible to establish a condition that allows to obtain the complete state and consequently the transfer matrix, which can be reformulated in the form of a spectral dynamic stiffness matrix. Numerical examples are simulated for one-dimensional periodic rods, with cross-sectional variation. The convergence criterion and method efficiency are presented and discussed. Dispersion diagrams and a forced response are obtained and the results are compared with those of the analytical and semi-analytical methods found in the literature Mestrado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: José Maria Campos dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nesta tese, os métodos de expansão em ondas planas (PWE), expansão em ondas planas melhorado (IPWE) e expansão em ondas planas estendido (EPWE) são utilizados para obter a estrutura de banda de cristais fonônicos (PnCs) e de metamateriais elásticos (EMs) uni- (1D) e bi-dimensionais (2D), isto é, estruturas arti?ciais projetadas para criarem bandas proibidas de Bragg e/ou localmente ressonantes. Estas estruturas periódicas estão sendo aplicadas em vários ramos da ciência e possuem diversas aplicações ¿ controle passivo/ativo de vibração, ?ltros/barreiras acústicas, metamateriais para captação de energia, guias de onda, dentre outras. A principal aplicação considerada nesta tese é o controle passivo de vibração. Primeiro, as formulações do PWE, IPWE e EPWE são apresentadas para alguns casos e vantagens e limitações são discutidas. Os casos considerados são PnCs 1D de barra, cristais sônicos 2D e EMs 1D de viga de Euler-Bernoulli. Posteriormente, alguns exemplos de propagação de ondas mecânicas nestas estruturas periódicas são abordados através da análise da estrutura de banda. Em seguida, algumas aplicações dos PnCs e EMs para controle passivo de vibração são discutidas em artigos anexados. Inicialmente, a estrutura de banda e a resposta forçada harmônica de um PnC simples de viga de Euler-Bernoulli são calculadas. Vários métodos são aplicados e os resultados simulados podem localizar a posição e a largura das bandas proibidas de Bragg próximas dos resultados experimentais. Posteriormente, é considerada a formação de bandas proibidas de ondas de ?exão em um PnC de placa com diferentes inclusões em redes quadrada e triangular, considerando-se a teoria de Mindlin-Reissner. O melhor desempenho é encontrado para a inclusão com seção transversal circular em uma rede triangular. Em seguida, a estrutura de banda de ondas elásticas se propagando em PnCs com nanoestruturas de carbono e em nanocristais fonônicos piezoelétricos com diferentes tipos de rede e inclusão são calculadas. Bandas proibidas totais entre os modos XY e Z são observadas para todos os tipos de inclusão. A piezoeletricidade in?uencia signi?cativamente as bandas proibidas para inclusão circular vazada em frequências mais baixas. Posteriormente, um PnC magnético-elétrico-elástico 2D é considerado. Diferentes tipos de rede e de inclusão também são considerados. A piezoeletricidade e o piezomagnetismo in?uenciam signi?cativamente as bandas proibidas. Finalmente, são considerados EMs 1D de viga de Euler-Bernoulli e 2D de placa ?na. A in?uência de ressonadores de um grau de liberdade e de múltiplos graus de liberdade periodicamente conectados nas células unitárias do EM de viga de Euler-Bernoulli e EM 2D de placa ?na são investigadas. Diferentes con?gurações da distribuição dos ressonadores são consideradas para investigar os mecanismos de formação das bandas proibidas, isto é, ressonância local e espalhamento de Bragg Abstract: In this thesis, plane wave expansion (PWE), improved plane wave expansion (IPWE) and extended plane wave expansion (EPWE) methods are used in order to obtain the band structure of one- (1D) and two-dimensional (2D) phononic crystals (PnCs) and elastic metamaterials (EMs), i.e., arti?cial structures designed to open up Bragg-type and/or locally resonant band gaps. Such periodic structures are being applied in many branches of science, and have many applications ¿ passive/active vibration control, acoustic barriers/?lters, metamaterials-based enhanced energy harvesting, waveguides, among others. The main application considered in this thesis is passive vibration control. First, PWE, IPWE and EPWE formulations are presented for some cases and advantages and drawbacks are discussed. The cases regarded are 1D PnC rods, 2D sonic crystals and 1D EM Euler-Bernoulli beams. Afterwards, some examples of mechanical wave propagation in these periodic structures are addressed by means of band structure analysis. Next, some applications of PnCs and EMs for passive vibration control are discussed in attached papers. Initially, the band structure and harmonic forced response of a simple 1D PnC Euler-Bernoulli beam are carried out. Several approaches are applied and the simulated results can localize the Bragg-type band gap position and width close to the experimental results. Next, it is considered the formation of ?exural wave band gaps in a PnC plate with different inclusions in square and triangular lattices, considering Mindlin-Reissner theory. The best performance is found for circular cross section inclusion in a triangular lattice. Afterwards, the band structure of elastic waves propagating in carbon nanostructure PnCs and nano-piezoelectric PnCs with different types of lattice and inclusion are calculated. Full band gaps between XY and Z modes are observed for all types of inclusions. Piezoelectricity in?uences signi?cantly the band gaps for hollow circular inclusion in lower frequencies. After that, a magnetoelectroelastic 2D PnC is considered. Different types of lattice and inclusion are also addressed. Piezoelectricity and piezomagnetism in?uence signi?cantly the band gaps. Finally, elastic wave propagating in 1D EM Euler-Bernoulli beams and in 2D EM thin plates is regarded. The in?uence of single degree of freedom and multiple degrees of freedom resonators periodically attached in unit cells of the EM Euler-Bernoulli beam and 2D EM thin plate are investigated. Different con?gurations of resonator distribution are carried out in order to investigate the band gap formation mechanisms, i.e., local resonance and Bragg scattering Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Marcos Roberto da Rocha Gesualdi Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018.

Orientadora: Leni Campos Akcelrud Coorientador: Edemir Luiz Kowalski Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia – PIPE. Defesa : Curitiba, 17/12/2018 Inclui referências: p.72-76 Área de concentração: Engenharia e Ciência dos Materiais Resumo: Este trabalho descreve uma metodologia inovadora de estudo das propriedades quiro-ópticas de matérias quirais através do emprego da elipsometria de transmissão e emissão. As técnicas foram aplicadas em filmes finos de copolímeros de fluorenos que apresentam grande atividade óptica. A atividade óptica foi obtida através da inserção de um carbono quiral na cadeia lateral. Pelo uso da elipsometria de transmissão é possível a determinação direta do parâmetro quiralidade. O trabalho apresenta o estudo de quatro copolímeros que apresentam variações sistemáticas em sua cadeia. Até onde se sabe, esse trabalho é o primeiro a reportar o procedimento experimental para a determinação direta do parâmetro quiralidade para materiais poliméricos com resposta na faixa do visível. Palavras-chave: Polímeros, Metamateriais, Atividade Óptica, Quiralidade. Abstract: This work describes an innovative methodology for the study of the chiro-optical properties of chiral materials through the use of transmission and emission ellipsometry. The techniques were applied to thin films of fluorene based copolymers which exhibit high optical activity. Optical activity was obtained by insertion of a chiral carbon into the side chain. By the use of transmission ellipsometry it is possible to directly determine the chirality parameter. This work presents the study of four copolymers in which systematic variations in their chain is observed. To the best of our knowledge, this work is the first to report the experimental procedure to the direct determination of the chirality parameter for polymeric materials with response in the visible range. Keywords: Polymers, Metamaterials, Optical Activity, Chirality.

Orientador: José Roberto de França Arruda Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A propagação de ondas mecânicas em cristais fonônicos e metamateriais tem sido extensivamente investigada para atenuação de ruídos e vibrações, e para manipulação de ondas (e.g., focalização de energia, guia de ondas, colheta de energia e invisibilidade). Apoiado e inspirado por estas extraordinárias potencialidades, esta tese investiga a propagação de ondas e o comportamento dinâmico de estruturas periódicas rotativas, metamateriais com ressonadores interconectados, e metaestruturas com variabilidade espacialmente correlacionada. Primeiro, os métodos dos elementos espectrais (SE) e dos elementos finitos de onda (WFE) são aplicados em estruturas rotativas periódicas, onde o efeito giroscópico quebra a simetria do tempo reverso, e, consequentemente, a simetria da propagação de ondas. A aceleração de Coriolis produz um diagrama de bandas assimétrico e causa que os modos naturais de vibração bifurquem. Estas características foram usadas para propor um circulador mecânico para ondas elásticas. Do ponto de vista numérico, a estratégia de WFE é proposta, onde o problema de autovalor da estrutura rotativa é projetado em uma base de ondas simplética, bem condicionada e reduzida. Esta formulação também pode ser usada em análise paramétrica, como no cálculo do diagrama de Campbell, bem como em análise de incertezas de estruturas periódicas com um baixo custo computacional. Um metamaterial com ressonadores interconectados é então proposto. Nesta configuração, os movimentos de translação e rotação na cadeia de ressonadores estão acoplados, o que abre uma larga banda proibida em baixas frequências sem aumentar a massa dos ressonadores. Este mecanismo é validado com medidas experimentais feitas em amostras construídas em manufatura aditiva. Para o caso bidimensional, que é uma placa com ressonadores interconectados, a vibração de flexão pode ser focalizada em direções específicas usando bandas proibidas parciais. Finalmente, são analisados os efeitos físicos da variabilidade espacial das propriedades elásticas na resposta dinâmica de vigas de cristais fonônicos e metamateriais. É observado uma alta correlação entre a distribuição espacial das propriedades do material com a performance das bandas proibidas tanto no modelo númerico quanto nos experimentos. Além do mais, a disordem produz alargamento ou aniquilição da largura da banda de atenuação, e o fenômeno de aprisionamento de ondas. Os resultados e as análises apresentadas nesta tese podem ser extendidos para outros sistemas periódicos e podem ser usados: I) do ponto de vista físico para atenuação de vibrações (e.g., dinâmica de rotores e estruturas leves) e para manipulação de ondas (e.g., guias de onda não recíprocos, focalização de energia e aprisionamento de ondas); II) do ponto de visa numérico, para reduzir tempo computacional em análises paramétricas e de incertezas de estruturas periódicas; e III) do ponto de vista experimental, para investigar estruturas periódicas construídas em impressoras 3D Abstract: The mechanical wave propagation in phononic crystals and metamaterials has been extensively investigated for noise and vibration attenuation, and for wave manipulation (e.g., energy focalization, guiding, harvesting and cloaking). Based upon and inspired by these extraordinary potentialities, this thesis investigates the wave propagation and dynamic behavior of rotating periodic structures, metamaterials with interconnected resonators, and metastructures with spatially correlated variability. First, the spectral element (SE) and wave finite element (WFE) methods are applied to rotating periodic structures, where the gyroscopic effect breaks the time-reversal symmetry, and, hence, the wave propagation symmetry. The Coriolis acceleration makes the band structure asymmetric and cause the natural vibration modes to split. These features are used to propose a mechanical circulator for elastic waves. From the numerical point of view, a WFE strategy is proposed, where the eigenvalue problem of the rotating structure is projected on a reduced, symplectic and well-conditioned wave basis. This approach can also be used for parametric analyses, such as Campbell diagram computations, as well as for uncertainty analyses of periodic structures with low computational cost. A metamaterial with interconnected resonators is then proposed. In this configuration, the translational and rotational motion of the resonator chain are coupled, which leads to a wide band gap at low frequency, without increasing the resonator mass. This mechanism is validated with experimental measurements on samples printed out using additive manufacturing. For the two-dimensional configuration, which is a plate with interconnected resonators, the flexural vibration can be localized in specific directions by using partial band gaps. Finally, the physical effects of spatial variability of the elastic properties in the dynamic response of phononic and metamaterial beams are analyzed. A high correlation between the spatial material distributions and the band gap performance is observed in both numerical and experimental models. In addition, the disorder can promote the widening or annihilation of the attenuation bandwidth and the wave trapping phenomenon. The results and analyses presented in this thesis can be extended to other periodic systems and can be used: I) from the physical point of view for vibration attenuation (e.g., rotordynamics and light structures) and for wave manipulation (e.g., nonreciprocal waveguiding, energy focalization, and wave trapping); II) from the numerical point of view, to save computational time in parametric and uncertainty analysis of periodic systems; and III) from the experimental point of view, to investigate periodic structures constructed by 3D printing Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2014/19054-6 e 2015/1578-0 CNPQ 2013-2/156459

CNPq O interesse no estudo do comportamento de metamateriais tem crescido bastante nos últimos anos, devido, principalmente às suas propriedades exóticas, que não são encontradas na Natureza. Além do estudo básico de metamateriais, há também várias aplicações que podem ser exploradas, como por exemplo, células solares e sensores. Neste trabalho foi proposto sintetizar e caracterizar metamateriais plasmônicos com índice de refração negativo. Estes metamateriais por sua vez, são formados por estruturas metálicas e dielétricas, sendo, no caso deste trabalho, nanofios de prata embebidos em uma membrana de alumina. A síntese do metamaterial é feita utilizando técnicas eletroquímicas e as técnicas de caracterização utilizadas foram Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios – X (EDS) e absorção óptica linear. Com as imagens obtidas pelo MEV foi possível comprovar a morfologia do metamaterial que é formado com nanofios com comprimentos médio de 1,2 µm e diâmetro médio de 40 nm. Com o EDS foi possível observar a composição química do metamaterial, confirmando assim a existência de prata na amostra. O espectro absorção óptica linear foi compatível com o que se encontra na literatura. Foi feita também a caracterização óptica não linear destes metamateriais utilizando a técnica de limitação óptica em 800 nm e 532 nm e foram observados efeitos de absorção não linear nos dois experimentos. The study of metamaterials increasing in the last years, mainly due to their exotic properties, which are not found in Nature. In addition to the basic study of metamaterials, there are also several applications that can be explored, such as solar cells and sensors. In this work it was proposed to synthesize and characterize plasmonics metamaterials with negative refractive index. These metamaterials,are composed of metallic and dielectric structures, such as, silver nanowires embedded in an alumina membrane. Our metamaterial was obtenaid by using electrochemical techniques and their morfological and optical properties were characterized byScanning Electron Microscopy (SEM), X - ray Dispersive Energy Spectroscopy (EDS), and linear optical absorption. From the SEM images, it was possible to observe the formation of silver nanowires with average length of 1.2 µm and diameter of 40 nm. With the EDS, it was possible to observe the chemical composition of the metamaterial, thus confirming the existence of silver in the sample. The linear optical absorption spectrum is compatible with what is found in the literature. Nonlinear optical characterization of these metamaterials was also performed using the optical limiting technique at 800 nm and 532 nm and nonlinear absorption effects were observed in both experiments.

Agradecimentos: The present work was partially financed by Brazilian Agencies CNPq, CAPES, FAPESP (Proc. 2012/51691-0), and FAEPEX-UNICAMP. T. P. Lobo acknowledges enlightening discussions with F. C. Moreira Abstract: Plasmon-polariton gap soliton formation and transparency switching in one-dimensional nonlinear layered systems composed of alternate layers of a Kerr material and a dispersive linear metamaterial are theoretically studied. The behavior of the electric field profile inside the layered system is shown for different values of nonlinear power, linking the localized modes of the electric field with complete transparency states of the system. A detailed investigation on the influence of a defocusing nonlinearity on the transmission switching phenomenon, in the frequency range where the linear dispersion predicts the photon-plasmon coupling, is made, revealing different effects in the top and bottom edges of the plasmon-polariton gap. Specifically, we found a broadening of the plasmon-polariton gap when increasing the nonlinear power. In addition, a switching from very low to high transmission states is obtained and localized plasmon-polariton gap solitons of various orders are found for various values of frequencies and nonlinear strength CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

We present a theoretical study of the nature of photonic band gaps of one-dimensional photonic crystals containing dispersive materials. Within the transfer-matrix formalism, we calculate the photonic band structure, transmission spectra and electric field profile for multilayered structures constituted by the periodic repetition of polaritonic and lefthanded layers. It is suggested that the prediction of the existence of the (n) = 0, plasmon-polariton, and chef non-Bragg gaps, according to the frequency dependence of the permittivity and permeability of both layers, may be made simpler through the definition of more convenient quantities such as the generalized impedance and optical path length CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho, apresentamos um estudo teórico da propagação das ondas eletromagnéticas em estruturas de multicamadas denominadas de Cristais Fotônicos. Dentro deste escopo, este trabalho possui três vertentes. Na primeira parte, estudamos teoricamente os espectros de transmissão em quasi-cristais fotônicos unidimensionais, composta de materiais SiO2 (A) e TiO2 (B), organizada seguindo a sequência de Octonacci, onde o enésimo estágio da multicamada Sn é dado pela regra Sn=Sn-1Sn-2Sn-1, para n ≥ 3 e com S1=A e S2=B. A expressão de transmitância foi obtido empregando um cálculo teórico baseado no método da matriz de transferência. Para ondas incidentes normalmente, observamos que, para uma mesma geração, os espectros de transmissão para ondas transversais eléctricas (TE) e ondas transversais magnéticas (TM) são iguais ao menos de forma qualitativa, e eles apresentam uma propriedade de escala em que um comportamento auto-similar é obtido, como uma evidência de que esses espectros são fractais. Os espectros mostram regiões onde os band gaps unidirecionais emergem para as gerações específicas da estrutura fotônica de Octonacci, exceto para ondas TM. Para ondas TE, notamos que todos eles têm quase a mesma largura, por diferentes gerações. Nós também relatamos a localização de modos como consequência da quase-periodicidade da heteroestrutura.Na segunda parte, investigamos os espectros de transmissão óptica para as ondas de polarização s (TE) e p (TM) em quasi-cristais fotônicos unidimensionais em uma estrutura de multicamadas quase-periódicas composta por camadas alternadas de SiO2 e metamateriais, organizada seguindo a sequência de Octonacci. As equações de Maxwell e técnica da matriz de transferência são usadas para obter o espectro de transmissão para propagação de campos eletromagnéticos incidentes normalmente e obliquamente. Assumimos a resposta dispersiva do tipo Drude-Lorentz para a permissividade dielétrica e permeabilidade magnética dos metamateriais. Para ondas incidentes normalmente, observamos que o espectro não tem comportamento auto-similar ou simetria espelho e também possui a ausência de band gaps óptico. Também mostramos o surgimento de band gaps completos e pseudos refletores de Bragg (ou espelhos de Bragg).Na terceira e última parte, estudamos a propagação dos polaritons de plasmon em sistemas formados por multicamadas periódicas e quase-periódicas organizadas de acordo com a sequência de Octonacci, a partir da descrição do comportamento dos seus modos de volume e de superfície. Através de cálculo analítico e numérico computacional, obtemos inicialmente os espectros de frequência dos polaritons de plasmon nestas superestruturas. Posteriormente, investigamos como a quase-periodicidade modifica a sua estrutura de bandas em relação ao caso periódico, induzindo os seus espectros a uma forma auto-similar, caracterizando a sua fractalidade/multifractalidade.

O projeto de um manto eletromagnético envolve fundamentalmente a determinação dos seus materiais. Nesta linha, a técnica de transformação de coordenadas é flexível por se aplicar a diferentes geometrias. Entretanto, o material obtido é desafiador mesmo sob a perspectiva dos metamateriais, uma vez que é não-homogêneo, anisotrópico e singular. Na verdade, invisibilidade e simplicidade nos materiais são atributos conflitantes. Em geometrias arbitrárias, o problema fica ainda mais complexo. Esta tese considera diferentes modelos de mantos e busca ajustar suas características visando um melhor desempenho. A primeira abordagem estudada envolve modelos com camadas puramente dielétricas, para os quais se contribui com a modelagem do alargamento da largura de banda através de uma otimização multi-objetivo. Devido às limitações dos mantos dielétricos em termos de desempenho e geometria, o mapeamento numérico fornecido pela Equação de Laplace se mostra interessante para gerar os materiais de mantos arbitrários. Assim, no intuito de se obter um desempenho satisfatório com mantos mais simples, desenvolveu-se a otimização da técnica de transformação fora do plano do manto, uma vez que esta consegue controlar os materiais do manto em qualquer geometria. Ainda na linha da obtenção de materiais mais simples, contribui-se com o desenvolvimento de um estudo sobre o mapeamento a partir de uma área pequena, com posterior otimização nos materiais discretizados. Para o desenvolvimento desta tese foram modelados mantos com diferentes geometrias e níveis de complexidade. The design of electromagnetic cloaks fundamentally involves the determination of their materials. In this context, the coordinate transformation technique is flexible to be applied in different geometries. However, the resulting material is challenging even for metamaterials, since it is non-homogeneous, anisotropic and singular. In fact, invisibility and simplicity in materials are conflicting attributes. In arbitrary geometries, the problem becomes even more complex. This thesis considers different cloak models and aims to adjust their characteristics to provide a better performance. The first studied models have all-dielectric layers and contributions on the enlargement of the bandwidth were achieved by a multi-objective optimization. Because of the limitations in the dielectric cloaks in terms of performance and geometry, the numerical mapping provided by Laplace's equation becomes interesting to generate the materials for an arbitrary cloak. Thus, in order to obtain a satisfactory performance with simpler cloaks, here the optimization of the out-of-plane transformation is performed, since it can control the cloak materials for any geometry. This thesis also contributes with the study of small area mappings, with further optimization in the discretized materials. Cloaks with different geometries and levels of complexity were used for the development of this thesis.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Capovilla Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. A tecnologia metamaterial vem sendo estudada cientificamente e suas propriedades prometem efeitos inovadores em suas aplicações. A possibilidade de manipular o comportamento eletromagnetico em um dispositivo cercado por metamateriais abre portas para a criação e otimização de novos dispositivos. Qualquer sistema que envolva dispositivos de microondas, optica e antenas, está na grade dos beneficiados por essa tecnologia. As principais caracteristicas dos metamateriais são a refração negativa e as caracteristicas intrinsecas do material com valores negativos. Assumindo esse cen'ario, nesse trabalho ser'a projetada uma célula metamaterial inspirada no conceito de lente de Lenz, que permite uma amplificação do fluxo de energia magnética na região central da estrutura. Essa célula será reconfigurada para sua implementação na estrutura de antenas planares, operando na faixa de 2,4 GHz. Tr¿es modelos de antenas são utilizadas nesse estudo, uma quasi-Yagi , uma PIFA e completando a teoria um arranjo com três PIFAs. A disposição das celulas é feita de forma periódica e estrão, assim como diagramas de radiação extraidos das simulações e testes experimentais. As conclusões são obtidas com referência nesses resultados e por meio de comparações das configurações das antenas com e sem as celulas metamateriaias em sua estrutura. The metamaterial technology has been studied scientifically and its properties promise innovative effects in their applications. The possibility of manipulating the electromagnetic behavior on a device surrounded by metamaterials opens doors for the creation and optimization of new devices. Any system that involves microwave devices, optics and antennas is on the grid of those benefited by this technology. The main characteristics of the metamaterials are the negative refraction and the intrinsic characteristics of the material with negative values. Assuming this scenario, in this work will be projected a metamaterial cell inspired by the concept of Lenz lens, which allows an amplification of the magnetic flux in the central region of the structure. This cell will be reconfigured for its implementation in the planar antenna structure, operating in the 2.4 GHz range. Three antennas are used in this study, a quasi-Yagi, a PIFA and completing the theory a PIFA array with three elements. The arrangement of the cells is made periodically and strategically in the antenna structure, aiming for improvements in its performance. The characterization of these antennas is carried out by means of reflection and transmission parameters, as well as radiation diagrams extracted from the simulations and experimental tests. The conclusions are achieved with reference in these results and through comparisons of the antenna configurations with and without the metamaterial cells in their structure.

Agradecimentos: The authors would like to thank the Scientific Colombian Agencies Estrategia de Sostenibilidad (2014-2016) and CODI - University of Antioquia, and Brazilian Agencies CNPq, FAPESP (Proc. 2012/51691-0) and FAEPEX-UNICAMP for partial financial support Abstract: The localization properties of electromagnetic waves in one-dimensional disordered nonlinear-Kerr/metamaterial heterostructures are investigated. Structural disorder is introduced via a random fluctuation of layer widths of both nonlinear-Kerr and metamaterial slabs composing the photonic heterostructure. For frequency values in the vicinity of the zero-n gap, multiple electromagnetic modes with different transmission lengths are obtained for a given value of the Kerr defocusing nonlinearity power. Maximum-delocalized photonic states, which are associated with high-transmission electromagnetic modes corresponding to gap-soliton waves, are found to be quite sensitive with respect to the degree of disorder. Moreover, we have found that inclusion of absorption effects leads, as expected, to a decreasing of the transmission length CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Aberto

As antenas de microfita na sua forma mais simples são compostas por um plano de terra e um substrato dielétrico que sustenta uma fita condutora. Como estas antenas apresentam algumas limitações, este trabalho apresenta um estudo de substratos anisotrópicos, bem como alguns resultados em antenas de microfita com patch circular visando superar estas limitações, em especial nas aplicações em tecnologia 4G. Esses substratos anisotrópicos são aqueles em que permissividade elétrica e permeabilidade magnética são representadas por tensores de segunda ordem. O estudo consiste de uma análise teórica dos substratos e o desenvolvimento de um formalismo matemático, o método da Linha de Transmissão Transversa, visando a aplicação destes substratos em antenas de microfita. Dentre os substratos utilizados neste estudo, estão os ferrimagnéticos e os Metamateriais, em que algumas miniaturizações das antenas são alcançadas. Para antenas com patch circular, são considerados arranjos e planos te terra modificados a fim de alcançar melhoria nos parâmetros, em especial ganho e largura de banda. Tem sido feitas diversas simulações e antenas são construídas para que os valores medidos fossem comparados com os valores simulados. The microstrip antennas in your simplest form consist of a ground plane and a dielectric substrate which supports a conductive tape. As these antennas have some limitations, this work presents a study of anisotropic substrates, as well as some results in microstrip antennas with circular patch, aiming to overcome these limitations, especially in applications at 4G technology. These anisotropic substrates are those in which electrical permittivity and magnetic permeability are represented by tensors of second order. The study consists of a theoretical analysis of substrates and development of a mathematical formalism, the Transverse Transmission Line Method, aimed the application of these substrates in microstrip antennas. Among the substrates used in this study, there are the ferrimagnetic and metamaterials, in which some miniaturizations of the antennas are achieved. For antennas with circular patch, are considered arrays and modified ground planes in order to achieve improvement in parameters, in particular, gain and bandwidth. Several simulations have been made and antennas were constructed so that the measured values could be compared with the simulated values.

Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, no ramo de especialização de Telecomunicações, apresentada ao Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra A resposta electromagnética dos materiais directamente disponíveis na Natureza nem sempre proporciona flexibilidade suficiente para obter uma resposta electromagnética desejada. No entanto, esta limitação pode ser ultrapassada utilizando uma nova classe de materiais denominada metamateriais. Metemateriais são meios artificialmente estruturados que podem interagir de forma controlada e previamente estipulada com a radiação electromagnética. Devido às suas aplicações em áreas emergentes tais como nanofotónica e plasmónica, nas últimas décadas esta nova classe de materiais tem atraído o interesse da comunidade científica, tendo-se efectuando também um esforço significativo para estender o mesmo tipo de conceito para sistemas que utilizam ondas de matéria. Esta tese é dedicada ao estudo analítico e numérico de novos fenómenos electromagnéticos em meios estruturados formados por agregados de fios metálicos paralelos, comummente conhecidos por wire medium, e novos comportamentos electrónicos em nanomateriais à base de grafeno. Em relação ao estudo de fenómenos electromagnéticos em metamateriais, os principais temas são a emissão de radiação de Cherenkov no agregado de fios, a manipulação da dispersão num agregado de fios emparelhados e a formação e propagação de solitões espaciais num conjunto de nanofios embebido num meio dieléctrico não linear. O estudo da radiação de Cherenkov foca-se na caracterização do campo electromagnético emitido por um conjunto de cargas que se propaga no interior do agregado de fios. Neste estudo demonstra-se que a emissão de radiação de Cherenkov no agregado de fios não tem está limitada por qualquer limiar de velocidade das cargas, contrariamente ao que se verifica nos materiais convencionais. Para além destes resultados, demonstra-se também que a densidade de estados fotónicos anormalmente elevada do agregado de nanofios pode aumentar a emissão de radiação por várias ordens de grandeza. Quanto ao tema da manipulação da dispersão do agregado de fios emparelhados, deduz-se um modelo de meios efectivos para o metamaterial formado por dois conjuntos de fios metálicos paralelos. Demonstra-se também que o acoplamento electromagnético entre os dois subconjuntos de fios pode originar ressonâncias de banda estreita do tipo Fano quando uma lâmina deste metamaterial é iluminada por uma onda plana. Nesta tese também é estudada a formação solitões espaciais tridimensionais do tipo claro e escuro num agregado de nanofios embebido num meio dieléctrico não linear. Deduzem-se as condições necessárias para a formação de cada tipo de solitões e estudos paramétricos mostram a influência na escolha dos parâmetros estruturais do metamaterial e intensidade dos efeitos não lineares no confinamento dos solitões. Por fim, investiga-se a possibilidade de estender certos fenómenos tipicamente associados a metamateriais electromagnéticos, como a propagação sem difracção e a refracção negativa, para sistemas que usem ondas de matéria. Demonstra-se também que lâminas de super-redes à base de grafeno devidamente projectadas poderão possibilitar uma transmissão perfeita de ondas electrónicas com uma energia específica, imitando um túnel espacial que liga a interface de entrada e saída como se a região entre elas não estivesse presente. The electromagnetic properties of the materials directly available in Nature do not always provide enough flexibility to obtain a desired electromagnetic response. However, this limitation can be surpassed by using a new class of materials called metamaterials. Metamaterials consist of artificial structured media that may interact in a controlled and desired way with the electromagnetic radiation. In the last decades, this new class of materials has attracted the interest of the scientific community due to its applications in emerging fields such as nanophotonics and plasmonics, and a significant effort has also been made to extend the same concept to systems dealing with matter waves. This thesis is devoted to the analytical and numerical study of novel electromagnetic phenomena in structured materials formed by arrays of parallel metallic wires, commonly known as “wire medium”, and novel electronic behaviors in graphene based nanomaterials. Regarding the study of electromagnetic phenomena in metamaterials, the main topics are the emission of Cherenkov radiation in the wire medium, the scattering engineering in nested wire media and the formation and propagation of spatial solitons in an array of nanowires embedded in a nonlinear dielectric medium. The study of Cherenkov radiation is focused on the characterization of electromagnetic field emitted by an array of moving charges propagating inside the wire medium. We show that unlike in more conventional materials, the emission of Cherenkov radiation in the metamaterial is not limited by any charge velocity threshold. Moreover, it is demonstrated that the anomalously high density of photonic states of the nanowire array can enhance the emission of radiation by several orders of magnitude. On the subject of the scattering engineering in a nested wire media, we derive an effective medium model for the metamaterial formed by two sets of parallel metallic wires. It is shown that the electromagnetic coupling of the two sub-arrays may result in sharp Fano-type resonances when a metamaterial slab is illuminated by a plane wave. We also study the formation of three dimensional bright and dark spatial solitons in an array of nanowires embedded in a nonlinear dielectric medium. We derive the conditions required for the formation of each type of solitons. Parametric numerical studies reveal the influence of the metamaterials structural parameters and strength of nonlinear effects in the confinement of the solitary waves. Finally, we investigate the possibility of extending some phenomena typically associated with electromagnetic metamaterials, such as negative refraction and propagation with no diffraction, to systems dealing with matter waves. It is shown that properly tailored graphene superlattice slabs may allow for the perfect transmission of electron waves with a specific energy, mimicking a wormhole that effectively bridges the input and output interfaces as if the region in between was nonexistent. Fundação para a Ciência e Tecnologia - SFRH/BD/70893/2010

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Os metamateriais são estruturas com propriedades físicas particulares, que nos últimos anos vêm sendo estudados em comparação com os materiais convencionais. As estruturas periódicas de cristais sónicos são um caso particular dos metamateriais. Os cristais sónicos são estruturas dispostas periodicamente de forma a apresentar um determinado comportamento ao nível acústico. Dependendo dessas disposições podem-se obter estruturas periódicas a uma, duas e três dimensões. O objetivo deste trabalho é verificar o funcionamento dos cristais sónicos quando estão a desempenhar um papel de difusor e comparar os resultados obtidos com os de uma superfície plana. Para cumprir este objetivo é necessário executar um procedimento experimental e realizar um tratamento de dados para obter os valores do coeficiente de difusão ao longo das frequências The metamaterials are structures with particular physical properties, which in recent years have been studied in comparison with conventional materials. The periodic structures of sonic crystals are a particular case of metamaterials. The sonic crystals are periodically arranged structures in order to present a certain behavior to acoustic level. Depending on these provisions may obtain periodic structures with one, two and three dimensions. The objective of this work is to verify the functioning of sonic crystals when they are to play a role of diffuser and compare the results with those from a flat surface. To achieve this objective it is necessary to perform an experimental procedure and perform a data processing to obtain values of the diffusion coefficient along the frequencies

The transmission properties of electromagnetic waves through a one-dimensional layered system containing alternate layers of air and a uniaxial anisotropic left-handed material are investigated. The optical axis of such heterostructure is along the stacking direction and the components of the electric permittivity and magnetic permeability tensors that characterize the metamaterial are modeled by a Drude-type response and a split ring resonator metamaterial response, respectively. Different plasmon frequencies are considered for directions parallel and perpendicular to the optical axis. For oblique incidence, longitudinal bulk like plasmon polariton modes are found in the neighborhood of the plasmon frequency along the optical axis and anisotropy leads to the unfolding of nearly dispersionless plasmon-polariton bands either above or below the plasmon frequency. Moreover, it is shown that, even in the presence of loss/absorption, these plasmon polariton modes do survive and, therefore, should be experimentally detected FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ Fechado

Orientador : Profª. Drª. Leni C. Akcelrud Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa: Curitiba, 14/04/2015 Inclui referências : f. 106-113 Resumo: Recentemente, o desenvolvimento de meios poliméricos que mimetizam as propriedades chaves dos metamateriais, como por exemplo o índice de refração negativo, tem emergido com alternativa. De maneira geral, a área da fotônica quiral está sendo redefinida pelo avanço das novas classes de materiais poliméricos relativamente flexíveis e de baixo custo, cuja atividade óptica não é acessível aos materiais, ditos naturais. Portanto, estes materiais são uma grande promessa para uso em metafotônica (manipulação de ondas eletromagnéticos por materiais nanoestruturados para controle da propagação de luz). Para aumentar a quiralidade e a atividade óptica associada, os materiais podem ser manipulados de várias maneiras, como por exemplo, a preparação de estruturas auto-montadas e fases colestéricas em cristais líquidos, ao passo que em sistemas poliméricos, estas morfologias podem ser induzidas por interações enantioseletivas com moléculas quirais pequenas ou por indutores de estruturas helicoidais em fibras poliméricas. Neste trabalho foram avaliados cinco novos polímeros conjugados com base em fluoreno quiral: LaPPS61 (homopolímero do fluoreno), LaPPS62 (copolímero contendo quinoxalina), LaPPS63 (copolímero contendo fenileno), LaPPS64 (copolímero contendo bifenileno) e LaPPS65 (copolímero contendo naftaleno). Todos os materiais foram sintetizados e caracterizados estruturalmente, e suas propriedades ópticas no estado sólido foram investigadas com o auxílio de técnicas espectroscópicas de UV-Vis e dicroísmo circular. Além disso, estudos teóricos foram feitos para auxiliar na compreensão dos fenômenos envolvidos e também para propor as conformações topológicas das estruturas helicoidais. Como resultado expressivo, o polímero LaPPS63 apresentou até o momento, o maior valor de parâmetro de quiralidade para materiais não dopados encontrados na literatura. Ademais, foram investigadas cinco propriedades intrínsecas dos polímeros (transição vítrea, massa molar, apertura de hélice, força rotacional e fator de dissimetria) e correlacionadas com o parâmetro de quiralidade, com o intuito de propor modelos a serem seguidos na confecção dos próximos polímeros quirais conjugados. Para a validação dos modelos, um polímero quiral estabelecido pela literatura foi aplicado e os resultados obtidos foram considerados satisfatórios. Abstract: Recently, development of polymeric media mimicking the key properties of metamaterials, such as negative refractive index has emerged. Generally speaking, the whole area of chiral photonics is getting redefined with the advent of novel classes of flexible and low-cost chiral polymeric materials with optical activity non-accessible in materials called naturals. In this way, these materials hold great promise for use in metaphotonics (manipulation of electromagnetic waves in nano-engineered materials to control propagation of light). To enhance the chirality and optical activity associated, these materials can be manipulated in many ways, such as the preparation of self-assembling structures and cholesteric liquid crystals, whereas in polymer systems, these morphologies can be done by enantioselective interactions with small chiral molecules or initiating helical assembly of the polymeric fibrils. In this work, five new polymers based on chiral fluorene were evaluated: LaPPS61 (homopolymer of fluorene), LaPPS62 (copolymer containing quinoxaline), LaPPS63 (copolymer containing phenylene), LaPPS64 (copolymer containing biphenylene) and LaPPS65 (copolymer containing naphthalene). All materials were synthetized and characterized structurally and its optical properties in solid state were investigated using spectroscopy techniques such as, UV-Vis and Circular Dichroism. In addition, theoretical studies were done to assist the understanding phenomena involved and also, to propose topological conformations of helical structures. As an impressive result, the LaPPS63 showed at this moment, the highest chirality parameter for non-doped materials founded in literature. Furthermore, five intrinsic properties of these polymers (glass transition, molar masses, tightness, rotational strength and dissymmetry ratio) were investigated and correlated with chirality parameter, to aim models to be follow for next generations of chiral conjugated polymers. To validate these models, a chiral polymer established in literature was applied and the results were considers satisfactory.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Ao longo dos últimos anos têm sido feitos vários estudos relativos aos metamateriais e às suas distintas propriedades, face às que normalmente se conhecem dos materiais mais convencionais. Um dos casos particulares dos metamateriais são as estruturas periódicas de cristais sónicos. Sendo um cristal sónico a repetição de um elemento base numa grelha, ao variar a periocidade da grelha é possível variar também as caraterísticas do cristal sónico. Consoante a periocidade da grelha e o material constituinte do cristal sónico, existem certas bandas de frequência que restringem a passagem das ondas, sendo essas bandas designadas por “bandgap’s”. O presente trabalho pretende contribuir com informação acerca dos metamateriais e dos cristais sónicos, desde as suas propriedades e mecanismos de funcionamento, acrescentando ainda uma exposição da pesquisa de vários trabalhos nesses campos realizados por diversos outros autores. Essa pesquisa engloba variadas aplicações destes metamateriais nos campos da engenharia, como por exemplo o conceito de “cloaking”, redução da vibração sísmica, aplicação em difusores e em barreiras acústicas. Dentro do campo das barreiras acústicas foi ainda realizada uma campanha experimental com amostras de barreiras acústicas de cristais sónicos feitas numa escala geométrica de 1/10, por forma a verificar em que medida estas barreiras podem ser uma alternativa às tradicionais barreiras acústicas na atenuação do ruído de tráfego. Englobando a análise dos trabalhos feitos anteriormente neste campo e os resultados observados dos ensaios experimentais realizados, pode-se concluir que as barreiras acústicas de cristais sónicos apresentam-se como uma boa solução para enfrentar os problemas do ruído de tráfego. O trabalho de pesquisa aqui apresentado foi apoiado por fundos FEDER através do Programa Operacional para Fatores de Competitividade – COMPETE e por fundos nacionais através da FCT (Fundação Portuguesa para a Ciência e Tecnologia), em fase de pesquisa do projeto PTDC/ECM-COM/1438/20. Over the last few years, several studies have been made related to metamaterials and their different properties compared to those that are generally know of the conventional materials. One particular case of metamaterials are the periodic structures of sonic crystals. Being a sonic crystal a repetition of one basic element in a grid, by varying the periodicity of the grid it is possible to change the characteristics of the sonic crystal. Depending on the periodicity of the grid and the material of the sonic crystal, there are certain frequency bands that hinder the passage of waves, wich are called “bandgap’s”. This work intends to contribute with information about sonic crystals and metamaterials, their properties and working mechanisms, including also a description of several research studies in these fields, made by different authors. Those research works include various applications in many fields of engineering , such as the concept of “cloaking”, reducing of seismic vibration, and application on diffusers and on acoustic barriers. On the field of acoustic barriers, an experimental campaign was also performed with samples with sonic crystals acoustics barriers in a 1/10 geometric scale, in order to access whether these barriers can be an alternative to traditional acoustic barriers for traffic noise mitigation. Taking into account the analysis of the studies previously made in this field and the results observed in the experimental tests, it can be concluded that the sonic crystal acoustic barriers can be presented as a good mitigation solution to face the problems of traffic noise. The research work present herein was supported by FEDER funds through the Operational Programme for Competitiveness Factors – COMPETE and by national funds through the FCT (Portuguese Foundation for Science and Technology), under research project PTDC/ECM-COM/1438/2012.

Agradecimentos: We would like to thank the Scientific Colombian Agency CODI - University of Antioquia and Brazilian Agencies CNPq and FAPESP (Proc. 2012/51691-0), for partial financial support Abstract: A thorough study of the absorption effects on the plasmon polariton-gap solitoninduced transparency in 1D Kerr/metamaterial superlattices is presented. Results indicate that for frequencies close to the bottom or top edge of the bulk-like longitudinal plasmon-polariton gap, the transmission of a finite Kerr/metamaterial superlattice presents a multistable behavior, switching from very low values to the maximum transparency at particular values of the incident power even in the presence of loss effects. Moreover, calculations suggest the existence of resonant plasmon polariton-gap solitons of various orders depending on the particular value of the incident power. The present results reveal that plasmon polariton-gap soliton-induced resonant solutions lead to the transparency of a stack with nonlinear inclusions, a nonlinear optical analog of the electronic barrier-transmission resonances CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Aberto

Agradecimentos: We thank D. Mogilevtsev for fruitful discussions. We would like to acknowledge the Colombian Agency CODI - Univ. of Antioquia and the Brazilian Agencies CNPq, FUJB and FAPESP for partial financial support Abstract: We perform a theoretical study of the bulk-plasmon polaritons in one-dimensional photonic superlattices made up of alternate layers of different metamaterials with dispersive dielectric permittivities and magnetic permeabilities for both normal and oblique incidence. We demonstrate that for oblique incidence a finite projection along the growth direction of the electric or magnetic field of the incident wave associated with the transverse-magnetic or transverse-electric modes, respectively, leads to a coupling in each layer of the heterostructure of the photon modes with the bulk electric or magnetic metamaterial plasmons, respectively. Such photon-plasmon coupling gives rise to electric or magnetic longitudinal bulk-plasmon polariton bands in the photonic band structure of the metamaterial-metamaterial superlattice. We also analyze the conditions for suppression of the longitudinal bulk-plasmon polaritons in the photonic band structure and reflection spectra of such metamaterial-metamaterial heterostructures CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado