Metamaterialer bøjer bølger af alle slags

Efterhånden som det spændende nye felt inden for metamaterialer skrider frem, Duke er blevet et af verdens førende centre for denne forskning. Grundlagt i 2009, Duke's Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics (CMIP) er vokset til at omfatte snesevis af forskere dedikeret til at udforske kunstigt strukturerede materialer.

Fælles for disse forskellige metamaterialteknologier er kontrol af bølger, fra bølger af vand omkring et skibs skrog, til de elektromagnetiske frekvenser, der driver vores kommunikation, til lydbølger, der måles i meter. I betragtning af dette omfang, de potentielle virkninger af dette arbejde er stadig uoverskuelige.

"Der er mange måder at kontrollere bølger på, hvoraf mange ikke var tænkt på før eller virkelig blev udnyttet, " sagde David R. Smith, der var med til at stifte CMIP og hjalp med at rekruttere ligesindede kolleger til Duke. "Metamaterialer har givet os en måde at håndtere bølger på en måde, der er virkelig hidtil uset."

Forsøger at udfylde 'terahertz -hullet'

Elektro- og computerteknik professor Willie Padilla, der kom til Duke i 2014 fra Boston College, fokuserer sit arbejde på den mindste skala af bølgelængder. Hans metamaterialeforskning ligner mest den af ​​David R. Smith, med hvem han arbejdede med de originale split-ring resonatorer ved UC San Diego for 15 år siden. Men Padilla er mest fokuseret på terahertz -frekvenser, der ligger mellem mikrobølger og infrarød på det elektromagnetiske spektrum.

Terahertz -regimet er længe blevet ignoreret af videnskaben, fordi det ikke egner sig godt til manipulation. Radio- og mikrobølgeenhederne, vi har rundt omkring os, virker på elektroner. Optiske og infrarøde enheder fungerer på fotoner. Men da disse enheder forsøger at manipulere fotoner eller elektroner i frekvenser længere væk fra deres komfortzoner på det elektromagnetiske spektrum, de ramte en væg og holder op med at opføre sig som bedt om det. Liggende mellem de foretrukne frekvensskiver af begge disse partikler er terahertz-området.

"Der er et grundlæggende hul, eller i det mindste teknologimangel i terahertz -området, fordi vores eksisterende teknologi er baseret på disse to fundamentale partikler (elektronen og foton), " siger Padilla. "Du kan ikke rigtig udfylde det terahertz-hul i sig selv, men du kan finde veje uden om det."

Padilla siger, at hvis de kan mestres, terahertz -bølger har kvaliteter, der kan være nyttige. De kan trænge igennem tørt tøj, hvilket gør dem til et godt valg til screening i lufthavne. De kan også give en langt større båndbredde til kommunikation, selvom deres manglende evne til at trænge ind i fugt i luften sandsynligvis vil begrænse dem til intersatellitapplikationer i rummet, ikke punkt-til-punkt-applikationer på en overskyet jord.

Padilla arbejder også på metalfrie metamaterialer, der er designet til at absorbere elektromagnetiske bølger frem for at fokusere eller udsende dem. Sådanne materialer kan være gode til energiindsamling eller detektorer, der aktivt kan scanne efter metan- eller naturgaslækager, overvåge sundheden for store afgrøder eller hurtigt sortere plast til genbrug.

"Termiske infrarøde kameraer er begrænset til det infrarøde område, " sagde Padilla. "Med disse metamaterialeabsorbere, vi kan bygge termiske kameraer i andre områder af spektret, hvor det ellers ville være umuligt. "

Fange lys i nanoskopiske strukturer

"P" i CMIP -akronymet står for plasmonik, som er Maiken Mikkelsens speciale, der sluttede sig til Duke i 2012. Plasmonics bruger fysiske fænomener i nanoskala til at fange visse lysfrekvenser, fremkalder en række interessante adfærd.

Dette opnås ved at danne sølvterninger, der bare er hundrede nanometer brede og kun placere dem et par nanometer over en tynd guldfolie. Når indgående lys rammer overfladen af ​​en nanokube, det ophidser sølvets elektroner, fange lysets energi - men kun ved en bestemt frekvens.

Størrelsen af ​​sølvnanokuberne og deres afstand fra grundlaget af guld bestemmer denne frekvens, mens kontrol af afstanden mellem nanopartiklerne muliggør tuning af absorptionens styrke. Ved præcist at skræddersy disse mellemrum, forskere kan få systemet til at absorbere eller udsende enhver lysfrekvens, de ønsker, hele vejen fra synlige bølgelængder ud til det infrarøde.

Evnen til at absorbere eller udsende enhver lysfrekvens i disse områder ved at skræddersy strukturelle egenskaber fører til nogle interessante ideer til applikationer. For eksempel, Mikkelsen arbejder på at udvikle teknologien til en ny måde at detektere billeder gennem flere spektrum. Sådanne billeddannelsesenheder kan identificere tusindvis af planter og mineraler, diagnosticere kræft melanomer og forudsige vejrmønstre, simpelthen ved det spektrum af lys, de reflekterer.

Denne applikation har et ben op på nuværende billedteknologier, der kan skifte mellem spektrum, da de er dyre og omfangsrige, fordi de kræver adskillige filtre eller komplekse samlinger. Og behovet for mekanisk bevægelse i sådanne enheder reducerer deres forventede levetid og kan være et ansvar under barske forhold, som dem, satellitter oplever.

"Det er udfordrende at skabe sensorer, der kan registrere både det synlige spektrum og det infrarøde, "sagde Mikkelsen." Traditionelt har du brug for forskellige materialer, der absorberer forskellige bølgelængder, og det bliver omfangsrigt og dyrt. Men med vores teknologi, Detektorernes svar er baseret på strukturelle egenskaber, som vi designer frem for et materiales naturlige egenskaber. Det, der virkelig er spændende, er, at vi kan parre dette med et fotodetektorskema for at kombinere billeddannelse i både det synlige spektrum og det infrarøde på en enkelt chip."

Teknikken kan også bruges til udskrivning. I stedet for at oprette pixels med områder, der er indstillet til at reagere på bestemte farver, Mikkelsen og hendes team skaber pixels med tre søjler bestående af sølv nanokuber, der absorberer tre farver:blå, grøn og rød. Ved at kontrollere de relative længder af hver stang, de kan diktere hvilken kombination af farver pixlen afspejler. Det er en ny opfattelse af den klassiske RGB -ordning, der først blev brugt til fotografering i 1861.

Men i modsætning til de fleste andre applikationer, det plasmoniske farveskema lover aldrig at falme over tid og kan gengives pålideligt med stram nøjagtighed igen og igen. Det giver også sine adoptere mulighed for at oprette farveskemaer i det infrarøde.

"Igen, den spændende del er at kunne udskrive i både synligt og infrarødt ved hjælp af de samme materialer, " sagde Mikkelsen. "Det er ret bemærkelsesværdigt, hvordan en konstruktions egenskaber kan ændres fuldstændigt ved små ændringer i arrangementet, mens man bruger byggeklodser af samme materiale."

Bøjning lyder som et hologram

I den anden ende af bølgelængder, langt uden for den elektromagnetiske skala, CMIP -gruppemedlem Steve Cummer har udviklet måder at styre lyd med metamaterialer.

"Jeg var en del af Duke -teamet, der arbejdede på tilsløring med John Pendry og David Smith, og et naturligt spørgsmål, der kom ud af dette arbejde, var, kan du lave de samme slags tricks for at kontrollere andre slags bølger?" sagde Cummer, som er professor i elektro- og computerteknik og fortsætter med at arbejde med elektromagnetiske metamaterialer.

"Lydbølger var et naturligt andet valg at se på, " siger Cummer. "Efter seks måneder med blindgyder, Jeg fandt endelig en tilgang, der virkede og viste, at du faktisk kan styre lydbølger på samme måde, hvis du kan oprette de rigtige materialegenskaber. "

De rigtige materialeegenskaber viste sig at være tætheden og kompressionsstivheden af ​​den væske, lyden bevæger sig igennem. Cummer opdagede, at - som med elektromagnetiske metamaterialer - hvis han skabte specifikke strukturer med ellers umærkelige materialer, han kunne styre, hvordan lydbølger bevægede sig.

De farverige plaststrukturer, hans team får med 3D-print, ligner meget legoklodser, der kan stables og arrangeres i forskellige konfigurationer for at opnå forskellige resultater. Det indre af plastikblokkene indeholder spiraler og andre former, der tvinger lydbølger til at tage stier af varierende længde. De forskellige rejselængder i hver bloks interne struktur langsomme dele af en lydbølge ned i varierende grad, ændre formen på den bølge, der dukker op på den anden side af en række blokke.

I en proof-of-concept undersøgelse fra 2016, Cummer og hans team byggede en væg af sådanne blokke omhyggeligt skræddersyet til at forme en lydbølge til et vilkårligt formet hologram, en formet lyd. De valgte at lave formen på det store bogstav A.

"De fleste kender hologrammer lavet af lys, " sagde Cummer. "Det er et generelt trick, som man kan lave med alle slags bølger. Nøglen er, hvordan man bruger en flad overflade til at skabe en kompliceret, tredimensionelt bølgefelt. Vi skabte en akustisk metamaterialestruktur, hvor lyden, der dukker op på den anden side, er et meget mere kompliceret lydfelt. Mens vi fik lydbølgen til at tage form af bogstavet A, vi kan muligvis gøre noget som at efterligne det komplicerede lydfelt, der produceres af et levende orkester ud af en enkelt højttaler. "

Andre anvendelsesområder omfatter lydisolering eller lydabsorption, hvor mere kompakte strukturer kun kunne absorbere de uønskede toner, lader resten stå uændret. Og hvis ideen kunne skaleres ned til ultralydsdimensioner, teknikken kunne tillade mindre, billigere, mere energieffektive ultralydsbilleder. '

Krusninger af eksperimenter, rejser i alle retninger

Andre steder i Center for Metamaterialer og Integreret Plasmonik, hold arbejder på trådløs kraftoverførsel, mikrobølgebilleder til sikkerhedsscreening, fjernelse af vågne i havgående fartøjer og mere. Deres udforskninger spænder fra teoretiske beregninger til prototyper med kommercielt potentiale.

Og gruppen fortsætter med at vokse. I sommeren 2018, Natalia Litchinitser vil slutte sig til gruppen fra universitetet i Buffalo. Arbejder også inden for optisk fotonik, Litchinitser forfølger sådanne projekter som at skabe en metamaterialelins, der kan løse cellulære funktioner, der er mindre end lysets bølgelængde og tilsløringsteknologi, der virker ved at sende lys, der spinder rundt i en lang, tynd genstand frem for at hoppe af den.

"Det er noget, der startede som en meget videnskabelig forfølgelse, meget grundlæggende forskning, næsten filosofisk, "Sagde Smith. Men nu dukker der metamaterialevirksomheder op." Turen har været spektakulær, " sagde Smith. "Startende fra 'hvad er det her godt for?' - hvem ved, hvem bekymrer sig - i virkelig outlandish, skøre ideer, og nu til raffineret egentlig kommercialisering af ideer.