Metalfrit metamateriale kan hurtigt tunes for at skabe skiftende elektromagnetiske effekter

Forskere ved Duke University har bygget den første metalfri, dynamisk afstembart metamateriale til styring af elektromagnetiske bølger. Tilgangen kan danne grundlag for teknologier lige fra forbedrede sikkerhedsscannere til nye typer visuelle skærme.

Resultaterne vises den 9. april i journalen Avancerede materialer .

Et metamateriale er et kunstigt materiale, der manipulerer bølger som lys og lyd gennem egenskaber ved dets struktur snarere end dets kemi. Forskere kan designe disse materialer til at have sjældne eller unaturlige egenskaber, som evnen til at absorbere specifikke områder af det elektromagnetiske spektrum eller at bøje lys bagud.

"Disse materialer består af et gitter af separate enheder, der kan indstilles individuelt, " sagde Willie Padilla, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Når en bølge passerer gennem overfladen, metamaterialet kan styre amplituden og fasen på hvert sted i nettet, som giver os mulighed for at manipulere bølgen på mange forskellige måder."

I den nye teknologi, hver gitterplacering indeholder en lille siliciumcylinder, der kun er 50 mikrometer høj og 120 mikrometer bred, med cylindrene med en afstand på 170 mikrometer fra hinanden. Mens silicium normalt ikke er et ledende materiale, forskerne bombarderer cylindrene med en bestemt lysfrekvens i en proces, der kaldes fotodoping. Dette giver det typisk isolerende materiale metalliske egenskaber ved at excitere elektroner på cylindrenes overflader.

Disse nyligt frigjorte elektroner får cylindrene til at interagere med elektromagnetiske bølger, der passerer gennem dem. Størrelsen på cylindrene dikterer, hvilke lysfrekvenser de kan interagere med, mens fotodopingens vinkel påvirker, hvordan de manipulerer de elektromagnetiske bølger. Ved målrettet at konstruere disse detaljer, metamaterialet kan styre elektromagnetiske bølger på mange forskellige måder.

Til denne undersøgelse, cylindrene var dimensioneret til at interagere med terahertz-bølger - et bånd af det elektromagnetiske spektrum, der sidder mellem mikrobølger og infrarødt lys. Styring af denne bølgelængde af lys kan forbedre bredbåndskommunikationen mellem satellitter eller føre til sikkerhedsteknologi, der nemt kan scanne gennem tøj. Tilgangen kunne også tilpasses andre bånd af det elektromagnetiske spektrum - som infrarødt eller synligt lys - blot ved at skalere størrelsen af ​​cylindrene.

"Vi demonstrerer et nyt felt, hvor vi dynamisk kan kontrollere hvert punkt på metasfladen ved at justere, hvordan de fotodoperes, " sagde Padilla. "Vi kan skabe enhver form for mønster, vi vil, giver os mulighed for at skabe linser eller strålestyringsenheder, for eksempel. Og fordi de styres af lysstråler, de kan ændre sig meget hurtigt med meget lidt kraft."

Mens eksisterende metamaterialer kontrollerer elektromagnetiske bølger gennem deres elektriske egenskaber, den nye teknologi kan også manipulere dem gennem deres magnetiske egenskaber.

"Dette gør det muligt for hver cylinder ikke kun at påvirke den indkommende bølge, men samspillet mellem nabocylindre, " sagde Kebin Fan, en forsker i Padillas laboratorium og første forfatter til papiret. "Dette giver metamaterialet meget mere alsidighed, såsom evnen til at kontrollere bølger, der rejser hen over overfladen af ​​metamaterialet i stedet for gennem det."

"Vi er mere interesserede i den grundlæggende demonstration af fysikken bag denne teknologi, men det har nogle få fremtrædende funktioner, der gør det attraktivt for enheder, " sagde Padilla.

"Fordi det ikke er lavet af metal, det vil ikke smelte, hvilket kan være et problem for nogle applikationer, " sagde han. "Den har subbølgelængdekontrol, hvilket giver dig mere frihed og alsidighed. Det er også muligt at omkonfigurere, hvordan metamaterialet påvirker indkommende bølger ekstremt hurtigt, som har vores gruppe planer om at udforske at bruge det til dynamisk holografi."