Todimensionelle grafen-metamaterialer, et-atom-tykke optiske enheder forudset

To University of Pennsylvania-ingeniører har foreslået muligheden for todimensionelle metamaterialer. Disse et-atom-tykke metamaterialer kunne opnås ved at kontrollere ledningsevnen af ​​plader af grafen, som er et enkelt lag af carbonatomer.

Professor Nader Engheta og kandidatstuderende Ashkan Vakil, både fra Institut for Elektro- og Systemteknik på Penns School of Engineering and Applied Science, publicerede deres teoretiske forskning i tidsskriftet Videnskab .

Studiet af metamaterialer er et tværfagligt område inden for videnskab og teknik, der er vokset betydeligt i de senere år. Det er baseret på ideen om, at materialer kan designes, så deres overordnede bølgekvaliteter ikke kun afhænger af det materiale, de er lavet af, men også på mønstret, form og størrelse af uregelmæssigheder, kendt som "indeslutninger, " eller "meta-molekyler", der er indlejret i værtsmedier.

"Ved at designe indeslutningernes egenskaber, såvel som deres former og tæthed, du opnår i bulkejendommen noget, der kan være usædvanligt og ikke umiddelbart tilgængeligt i naturen, " sagde Engheta.

Disse usædvanlige egenskaber har generelt at gøre med at manipulere elektromagnetiske (EM) eller akustiske bølger; I dette tilfælde, det er EM-bølger i det infrarøde spektrum

Ændring af form, hastighed og retning af denne slags bølger er et underfelt af metamaterialer kendt som "transformationsoptik" og kan finde anvendelser i alt fra telekommunikation til billedbehandling til signalbehandling.

Engheta og Vakils forskning viser, hvordan transformationsoptik nu kan opnås ved hjælp af grafen, et gitter af kulstof et enkelt atom tykt.

Forskere, inklusive mange hos Penn, har viet en betydelig indsats i at udvikle nye måder at fremstille og manipulere grafen på, da dens hidtil usete ledningsevne ville have mange anvendelser inden for elektronik. Engheta og Vakils interesse for grafen, imidlertid, skyldes dens evne til at transportere og lede EM-bølger ud over elektriske ladninger og det faktum, at dens ledningsevne let kan ændres.

Påføring af jævnspænding på et ark grafen, ved hjælp af en jordplade, der løber parallelt med pladen, ændrer, hvor ledende grafenen er over for EM-bølger. Variering af spændingen eller afstanden mellem jordpladen og grafenen ændrer ledningsevnen, "ligesom at indstille en knap, " sagde Engheta.

"Dette giver dig mulighed for at ændre ledningsevnen af ​​forskellige segmenter af et enkelt ark grafen forskelligt fra hinanden, " sagde han. Og hvis du kan gøre det, du kan navigere og manipulere en bølge med disse segmenter. Med andre ord, du kan lave transformationsoptik ved hjælp af grafen."

I dette ægteskab mellem grafen og metamaterialer, de forskellige områder af ledningsevne på den effektivt todimensionelle, et-atom-tykt ark fungerer som de fysiske indeslutninger, der findes i tredimensionelle versioner.

Eksemplerne Engheta og Vakil har vist med computermodeller inkluderer et ark grafen med to områder, der har forskellige ledningsevner, en der kan understøtte en bølge, og en der ikke kan. Grænsen mellem de to områder fungerer som en mur, i stand til at reflektere en guidet EM-bølge på grafenet, ligesom man ville i et tredimensionelt rum.

Et andet eksempel involverer tre regioner, en, der kan understøtte en bølge omgivet af to, der ikke kan. Dette producerer en "bølgeleder, " som fungerer som et et-atom-tykt fiberoptisk kabel. Et tredje eksempel bygger på bølgelederen, tilføjelse af endnu et ikke-understøttende område for at opdele bølgelederen i to.

"Vi kan 'tæmme' bølgen, så den bevæger sig og bøjer, som vi vil, " sagde Engheta. "I stedet for at lege med grænsen mellem to medier, vi tænker på ændringer i ledningsevnen på tværs af et enkelt ark grafen."

Andre applikationer inkluderer linse og evnen til at lave "fladland" Fourier-transformationer, et grundlæggende aspekt af signalbehandling, der findes i næsten ethvert stykke teknologi med lyd- eller visuelle komponenter.

"Dette vil bane vejen for de tyndeste optiske enheder, man kan forestille sig, " sagde Engheta. "Du kan ikke have noget tyndere end et atom!"