Absorberer elektromagnetisk energi og undgår varmen

Elektriske ingeniører ved Duke University har skabt verdens første elektromagnetiske metamateriale lavet uden metal. Enhedens evne til at absorbere elektromagnetisk energi uden at blive varmet op har direkte anvendelser i billeddannelse, sansning og belysning.

Metamaterialer er syntetiske materialer sammensat af mange individuelle, konstruerede funktioner, der tilsammen producerer egenskaber, der ikke findes i naturen. Forestil dig en elektromagnetisk bølge, der bevæger sig gennem en flad overflade lavet af tusindvis af små elektriske celler. Hvis forskere kan indstille hver celle til at manipulere bølgen på en bestemt måde, de kan diktere præcis, hvordan bølgen opfører sig som helhed.

For forskere til at manipulere elektromagnetiske bølger, imidlertid, de har typisk været nødt til at bruge elektrisk ledende metaller. Den tilgang, imidlertid, medfører et grundlæggende problem med metaller - jo højere elektrisk ledningsevne, jo bedre leder materialet også varme. Dette begrænser deres anvendelighed i temperaturafhængige applikationer.

I et nyt papir, elektriske ingeniører ved Duke University demonstrerer det første fuldstændigt dielektriske (ikke-metal) elektromagnetiske metamateriale - en overflade med fordybninger som forsiden af ​​en Lego-klods, der er designet til at absorbere terahertz-bølger. Mens dette specifikke frekvensområde ligger mellem infrarøde bølger og mikrobølger, fremgangsmåden bør være anvendelig for næsten enhver frekvens af det elektromagnetiske spektrum.

Resultaterne blev vist online den 9. januar i journalen Optik Express .

"Folk har skabt denne type enheder før, men tidligere forsøg med dielektrikum har altid været parret med i det mindste noget metal, " sagde Willie Padilla, professor i elektro- og computerteknik ved Duke University. "Vi mangler stadig at optimere teknologien, men vejen frem til flere applikationer er meget nemmere end med metalbaserede tilgange."

Padilla og hans kolleger skabte deres metamateriale med bor-doteret silicium - et ikke-metal. Ved hjælp af computersimuleringer, de beregnede, hvordan terahertz-bølger ville interagere med cylindre med varierende højder og bredder.

Forskerne fremstillede derefter en prototype bestående af hundredvis af disse optimerede cylindre justeret i rækker på en flad overflade. Fysiske tests viste, at den nye "metasurface" absorberede 97,5 procent af energien produceret af bølger ved 1,011 terahertz.

Effektiv absorption af energi fra elektromagnetiske bølger er en vigtig egenskab for mange applikationer. For eksempel, termiske billedbehandlingsenheder kan fungere i terahertz-området, men fordi de tidligere har inkluderet i det mindste noget metal, at få skarpe billeder har været udfordrende.

"Varme forplanter sig hurtigt i metaller, hvilket er problematisk for termiske kameraer, " sagde Xinyu Liu, en ph.d.-studerende i Padillas laboratorium og førsteforfatter til papiret. "Der er tricks til at isolere metallet under fremstilling, men det bliver besværligt og dyrt."

En anden potentiel anvendelse for den nye teknologi er effektiv belysning. Glødepærer gør lys, men skaber også en betydelig mængde spildvarme. De skal fungere ved høje temperaturer for at producere lys - meget højere end smeltepunktet for de fleste metaller.

"Vi kan producere en dielektrisk metaflade designet til at udsende lys, uden at producere spildvarme, " sagde Padilla. "Selvom vi allerede har været i stand til at gøre dette med metalbaserede metamaterialer, du skal arbejde ved høj temperatur for at det hele kan fungere. Dielektriske materialer har smeltepunkter meget højere end metaller, og vi forsøger nu hurtigt at flytte denne teknologi ind i det infrarøde for at demonstrere et belysningssystem."