Fotonisk doping gør klassen af ​​metamaterialer lettere at fremstille

Området for metamaterialer, et skæringspunkt mellem materialevidenskab, fysik, nanoteknologi og elektroteknik, sigter mod at producere strukturer med usædvanlige elektromagnetiske egenskaber. Gennem den omhyggelige kombination af flere materialer i et præcist periodisk arrangement, de resulterende metamaterialer udviser egenskaber, der ellers ikke kunne eksistere, såsom et negativt brydningsindeks. Nogle metamaterialer kan endda kanalisere elektromagnetiske bølger rundt om deres overflader, gør dem usynlige for visse bølgelængder af lys.

Den præcision, der er nødvendig for at arrangere et metamaterials konstituerende dele, også kendt som inklusioner, har været et udfordrende trin i deres udvikling og anvendelse.

Nu, Ingeniører fra University of Pennsylvania har vist en måde at lave metamaterialer med en enkelt inklusion, giver lettere fremstilling, blandt andre nyttige funktioner.

Analog med elektronisk "doping, "hvor tilsætning af en lille mængde atomare urenheder til et "rent" materiale giver det elektroniske egenskaber, der er nødvendige for mange beregnings- og sensorenheder, denne "fotoniske doping" ville give mulighed for nye måder at forme og skræddersy lys-stof-interaktioner, med fremtidig indvirkning på optisk teknologi, såsom fleksibel fotonik.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , blev ledet af Nader Engheta, Nedwill Ramsey Professor i elektroteknik og systemteknik, sammen med medlemmer af hans gruppe, Iñigo Liberal, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li og Brian Edwards.

"Ligesom ved elektronisk doping, når man tilføjer et sæt fremmede atomer i et ellers rent materiale, kan væsentligt ændre værtens elektroniske og optiske egenskaber, "Sagde Engheta, "'fotonisk doping' betyder, at tilføjelse af et fremmed fotonisk objekt i en specialiseret fotonisk værtsstruktur kan ændre den optiske spredning af den oprindelige struktur på en væsentlig måde."

Fænomenet fungerer med en bestemt klasse af materialer, der har permittivitet, en parameter, der har at gøre med materialets elektriske reaktion, matematisk repræsenteret med det græske bogstav epsilon, det er næsten nul.

Nøglekvaliteten af ​​disse epsilon-nær-nul, eller ENZ, materialer er, at bølgens magnetfelt fordeles ensartet gennem de todimensionale ENZ-værter, uanset deres tværsnitsform. Sådanne ENZ -materialer forekommer enten naturligt eller kan fremstilles ved traditionelle metamaterialer.

I stedet for at konstruere komplicerede periodiske strukturer, der væsentligt ændrer de optiske og magnetiske egenskaber af sådanne materialer, Engheta og hans gruppe udtænkte en måde for en enkelt inklusion i en 2-D ENZ-struktur til at udføre den samme opgave:at ændre hvilke lysbølgelængder, der vil reflektere eller passere igennem, eller ændring af strukturens magnetiske respons

"Hvis jeg vil ændre den måde, et stykke materiale interagerer med lys på, Jeg skal normalt ændre det hele, "Sagde Engheta, "Ikke her. Hvis jeg placerer en enkelt dielektrisk stang hvor som helst i dette ENZ -materiale, hele strukturen vil se anderledes ud fra en ekstern bølges perspektiv."

Den dielektriske stang er en cylindrisk struktur lavet af et isolerende materiale, der kan polariseres. Når den indsættes i en 2-D ENZ-vært, det kan påvirke det magnetiske felt i denne vært og kan følgelig især ændre de optiske egenskaber af værtens ENZ-materiale.

Fordi bølgens magnetfelt i 2-D ENZ-værten har en ensartet rumlig fordeling, den dielektriske stang kan placeres hvor som helst i materialet. Indgående bølger opfører sig således som om værtsmaterialet har et væsentligt andet sæt optiske egenskaber. Da stangen ikke skal placeres på et præcist sted, konstruktion af sådanne fotonisk dopede strukturer kan opnås relativt let.

Anvendelse af disse metamateriale begreber via "fotonisk doping" har implikationer for informationsbehandlingssystemer og applikationer inden for telekommunikation.

"Når vi arbejder med en bølge, denne fotoniske doping kan være en ny måde for os at bestemme den vej, denne bølge tager fra A til B inden for en enhed, "Engheta sagde." Med en relativt lille ændring i den dielektriske stang, vi kan få bølger til at 'gå denne vej' og 'gå ikke den vej'. At vi kun behøver at foretage en ændring af stangen, som er en lille del af værtsmaterialet, skal hjælpe med enhedens hastighed, og, fordi effekten er den samme for ENZ-værten med vilkårlig form, mens dens tværsnitsareal holdes fast, denne egenskab kan være meget nyttig til fleksibel fotonik. "

Yderligere forskning viser mere komplicerede måder at anvende fotonisk doping på ENZ-materialer, såsom at tilføje flere stænger med forskellige diametre.

"Stangens dielektriske egenskab kan reagere på termisk, optiske eller elektriske ændringer, "Engheta sagde." Det betyder, at vi kunne bruge værts-ENZ-materialet som udlæsning af en sensor, da det ville transmittere eller reflektere lys på grund af ændringer i den stang. Tilføjelse af flere stænger ville give mulighed for endnu finere justering af materialets respons."