Metamaterialer kan komme videre med ny femtosekund -laserteknik

Forskere i anvendt fysik har ryddet en vigtig hindring i udviklingen af ​​avancerede materialer, kaldet metamaterialer, der bøjer lys på usædvanlige måder.

Arbejde i en skala, der gælder for infrarødt lys, Harvard-teamet har brugt ekstremt korte og kraftige laserimpulser til at skabe tredimensionelle mønstre af små sølvprikker i et materiale. Disse ophængte metalprikker er afgørende for at bygge futuristiske enheder som usynlighedskapper.

Den nye fremstillingsproces, beskrevet i journalen Anvendt fysik bogstaver , avancerer metallitografi i nanoskala til tre dimensioner - og gør det ved en opløsning, der er høj nok til at være praktisk til metamaterialer.

"Hvis du vil have et bulk metamateriale til synligt og infrarødt lys, du skal integrere partikler af sølv eller guld i et dielektrikum, og du skal gøre det i 3D, med høj opløsning, " siger hovedforfatter Kevin Vora, en kandidatstuderende ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"Dette arbejde viser, at vi kan skabe sølvprikker, der er afbrudt i x, y, og z, "Vora siger." Der er ingen anden teknik, der gør det muligt at gøre det. At være i stand til at lave mønstre af nanostrukturer i 3D er et meget stort skridt mod målet om at lave metamaterialer i bulk. "

Vora arbejder i laboratoriet hos Eric Mazur, Balkanski professor i fysik og anvendt fysik ved SEAS. I årtier, Mazur har brugt et stykke udstyr kaldet en femtosekund laser til at undersøge, hvor meget tæt fokuseret, kraftige lysudbrud kan ændre det elektriske, optisk, og et materiales fysiske egenskaber.

Når en konventionel laser skinner på et gennemsigtigt materiale, lyset passerer lige igennem, med let brydning. Femtosekundlaseren er speciel, fordi den udsender et udbrud af fotoner lige så lyse som solens overflade i et glimt, der kun varer 50 kvadrilliontedele (5 × 10) ^-14 ) af et sekund. I stedet for at skinne igennem materialet, den energi bliver fanget i det, excitere elektronerne i materialet og opnå et fænomen kendt som ikke-lineær absorption.

Inde i lommen, hvor den energi er fanget, en kemisk reaktion kan finde sted, permanent ændring af materialets indre struktur. Processen er tidligere blevet udnyttet til 2D og simpel 3D metal nanofabrikation.

"Normalt, når folk bruger femtosekund lasere i fremstillingen, de skaber en træbunkestruktur:noget stablet på noget andet, støttes af noget andet, " forklarer Mazur.

"Hvis du vil lave en række sølvprikker, imidlertid, de kan ikke flyde i rummet. "

I den nye proces, Vora, Mazur, og deres kolleger kombinerer sølvnitrat, vand, og en polymer kaldet PVP til en opløsning, som de bager på et objektglas. Den faste polymer indeholder så ioner af sølv, som fotoreduceres af de tæt fokuserede laserpulser til dannelse af nanokrystaller af sølvmetal, understøttet af polymermatrixen.

Behovet for denne særlige kombination af kemikalier, i de rigtige koncentrationer, var ikke indlysende i tidligere arbejde. Forskere kombinerer nogle gange sølvnitrat med vand for at skabe sølvnanostrukturer, men den proces giver ingen strukturel støtte til et 3D-mønster. En anden proces kombinerer sølvnitrat, vand, PVP, og ethanol, men prøverne bliver mørkere og nedbrydes meget hurtigt ved at producere sølvkrystaller i hele polymeren.

med ethanol, reaktionen sker for hurtigt og ukontrollabelt. Mazurs team havde brug for nanoskala krystaller, præcist fordelt og isoleret i 3D.

"Det var bare et spørgsmål om at fjerne det reagens, og vi var heldige, " siger Vora. "Det, der var mest overraskende ved det, var, hvor enkelt det er. Det var et spørgsmål om at bruge mindre."