Nulindeksmetamaterialer og fremtiden

Inden for materialevidenskabens område er elektromagnetiske (EM) metamaterialer dukket op som en revolutionær klasse af konstruerede kompositter, der er i stand til at manipulere elektromagnetiske bølger på måder, som aldrig før var muligt. I modsætning til deres naturligt forekommende modstykker henter EM-metamaterialer deres ekstraordinære egenskaber fra deres unikke strukturelle arrangementer, hvilket giver dem mulighed for at udvise uopnåelige elektromagnetiske egenskaber i konventionelle materialer.

En af de mest fascinerende egenskaber ved EM-metamaterialer ligger i området for nulindeksmetamaterialer (ZIM'er). ZIM'er har den bemærkelsesværdige evne til at opnå ensartet elektromagnetisk feltfordeling over vilkårlig form (figur 1a). Denne unikke egenskab åbner mange potentielle anvendelser, fra ultrakompakte tilsløringsanordninger til vilkårligt formede bølgeledere og linser og fotoniske krystaloverflade-emitterende lasere (figur 1b).

På trods af deres enorme potentiale har ZIM'er stået over for en betydelig hindring i deres praktiske implementering. Homogeniteten af ​​ZIM'er er ofte begrænset af antallet af enhedsceller pr. frirumsbølgelængde. Denne begrænsning opstår på grund af egenskaben med lav permittivitet for de materialer, der bruges til at konstruere ZIM'er. Som et resultat kræver ZIM'er ofte stor fysisk plads for at opnå deres effektive elektromagnetiske egenskaber (figur 2b).

Forskere har overvundet denne langvarige udfordring i en undersøgelse offentliggjort i eLight ved at udvikle et meget homogent ZIM ved hjælp af en ny kombination af materialer med høj permittivitet.

Som vist i figur 3a, ved at anvende SrTiO₃ keramiske søjler indlejret i en BaTiO₃ baggrundsmatrix, har de med succes fremstillet en ZIM med en over tredobling af homogeniseringsniveauet (figur 2b og 2e), hvilket reducerer dens fysiske dimensioner betydeligt.

Baseret på den ensartede fordeling af fasen af ​​det elektromagnetiske felt i hele ZIM, har forskere demonstreret en højdirektivitetsantenne. Ved at inkorporere ZIM i en metallisk bølgeleder (Figur 4a), har denne antenne nærmet sig den grundlæggende begrænsning af retningsvirkningen i antennen, da blændestørrelsen varierer fra subbølgelængderegime til meget stor skala (Figur 4c).

Dette gennembrud baner vejen for en ny æra af ZIM-baserede enheder, der tilbyder hidtil uset ydeevne og kompakthed. Forskernes præstation har dybtgående implikationer for en lang række områder, herunder trådløs kommunikation, fjernmåling og globale positioneringssystemer. Desuden åbner deres arbejde op for nye muligheder for grundlæggende forskning i ultrakompakte bølgeledere, tilsløringsenheder og superledende kvanteberegning.

Flere oplysninger: Yueyang Liu et al., Keramik med høj permittivitet muliggjorde meget homogene nulindeksmetamaterialer til antenner med høj retningsbestemmelse og videre, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x

Journaloplysninger: eLight

Leveret af TranSpread