Teori og praksis nøglen til optimeret bredbånd, optiske metamaterialer med lavt tab

Foreningen af ​​teori og praksis skaber bredbånd, praktiske optiske enheder med lavt tab, hvilket er grunden til, at to grupper af Penn State-ingeniører samarbejdede om at designe optiske metamaterialer, der har brugerdefinerede applikationer, der er let at fremstille.

Metamaterialer er fremstillede materialer, der får deres usædvanlige egenskaber fra struktur snarere end kun sammensætning, og besidder eksotiske egenskaber, der normalt ikke findes i naturen. Nanostrukturerede metamaterialer ser anderledes ud for signaler med forskellige frekvenser. De er spredte, så hvis forskere manipulerer denne materialespredning, de får en omfattende kontrol over enhedens ydeevne på tværs af et frekvensbånd.

I fortiden, at kontrollere optikken af ​​metamaterialer, forskere brugte komplicerede strukturer, herunder 3-dimensionelle ringe og spiraler, der er vanskelige, hvis ikke umulige, at fremstille i stort antal og små størrelser ved optiske bølgelængder. Fra et praktisk perspektiv, enkle og fremstillelige nanostrukturer er nødvendige for at skabe højtydende enheder.

"Vi skal designe (nanostrukturer, der kan fremstilles, " sagde Theresa S. Mayer, Fremragende professor i elektroteknik og meddirektør for Penn State's nanofabrikationslaboratorium.

At designe materialer, der kan tillade en række bølgelængder at passere igennem, mens de blokerer andre bølgelængder, er langt sværere end blot at skabe noget, der transmitterer en enkelt frekvens. Det er nødvendigt at minimere tidsdomæneforvrængning af signalet over en række bølgelængder, og materialet skal også være lavt tab.

"Vi ønsker ikke, at signalet skal ændre sig, når det passerer gennem enheden, " sagde Jeremy A. Bossard, postdoc i elektroteknik.

Størstedelen af ​​det, der går ind, skal komme ud med lidt absorption eller forvrængning af signalbølgeformen på grund af metamaterialets spredning.

"Det, vi gør, er at bruge globale optimeringstilgange til at målrette, over brede båndbredder, den optiske ydeevne og nanofabrikationsbegrænsninger, der kræves af forskellige designproblemer, " sagde Douglas H. Werner, John L. og Genevieve H. McCain formand for professor i elektroteknik. "Designmetoden kombineret med fremstillingstilgangen er kritisk vigtig."

Designteamet så på eksisterende fiskenetstrukturerede metamaterialer og anvendte naturinspirerede optimeringsteknikker baseret på genetiske algoritmer. De optimerede dimensionerne af funktioner såsom størrelsen af ​​fiskenettet og tykkelsen af ​​materialerne. En af forskernes transformative innovationer var inkluderingen af ​​nanohak i hjørnerne af nethullerne, skabe et mønster, der kunne indstilles til at forme spredningen over store båndbredder. De rapporterede deres tilgang i dagens (28. marts) online-udgave af Videnskabelige rapporter .

"Vi introducerede nanonotches i hjørnerne af lufthullerne for at give meget mere fleksibilitet til uafhængigt at kontrollere egenskaberne for permittivitet og permeabilitet over et bredt bånd, " sagde Werner. "Det konventionelle fiskenet har ikke meget fleksibilitet, men er let at fremstille."

Permittivitet måler letheden eller vanskeligheden ved at inducere et elektrisk felt i et materiale, mens permeabilitet måler letheden eller vanskeligheden ved at inducere et magnetfelt. Teoretisk set, manipulering af permittivitet og permeabilitet muliggør tuning af metamaterialet på tværs af en række bølgelængder og skaber det ønskede brydningsindeks og impedans.

Teori kan give en løsning, men kan den løsning blive til virkelighed? Fabrikationsteamet lagde begrænsninger på designet for at sikre, at materialet kunne fremstilles ved hjælp af elektronstrålelitografi og reaktiv ionætsning. Det oprindelige materiale var en tre-lags sandwich af guld, polyimid og guld på oxideret silicium. Når siliciumdioxidmasken og elektronstråleresisten fjernes, forskerne stod tilbage med et optisk metamateriale med de ønskede egenskaber.

I dette tilfælde oprettede de et båndpasfilter, men de samme principper kan anvendes på mange optiske enheder, der bruges i optiske kommunikationssystemer, medicin, test og karakterisering eller endda optisk strålescanning, hvis metamaterialet er formet til at danne et prisme.

En anden anvendelse af dette metamateriale kunne være i forbindelse med naturlige materialer, der ikke har de ønskede egenskaber til en specifik optisk anvendelse.

"Alle materialer har en naturlig spredning, " sagde Mayer. "Vi vil måske belægge et naturligt materiale i nogle regioner for at kompensere for spredningen."

Ifølge Werner, i øjeblikket er den eneste måde at kompensere på at finde et andet naturligt materiale, der ville gøre jobbet. Kun sjældent findes et sådant materiale.