Elektrotechnici van Duke University hebben 's werelds eerste elektromagnetische metamateriaal gemaakt zonder metaal. Het vermogen van het apparaat om elektromagnetische energie te absorberen zonder op te warmen heeft directe toepassingen in beeldvorming, detectie en verlichting.

Metamaterialen zijn synthetische materialen die zijn samengesteld uit vele individuele, gemanipuleerde kenmerken die samen eigenschappen produceren die niet in de natuur voorkomen. Stel je een elektromagnetische golf voor die door een plat oppervlak beweegt dat bestaat uit duizenden kleine elektrische cellen. Als onderzoekers elke cel kunnen afstemmen om de golf op een specifieke manier te manipuleren, ze kunnen precies dicteren hoe de golf zich als geheel gedraagt.

Voor onderzoekers om elektromagnetische golven te manipuleren, echter, ze hebben meestal elektrisch geleidende metalen moeten gebruiken. Die aanpak, echter, brengt een fundamenteel probleem van metalen met zich mee:hoe hoger de elektrische geleidbaarheid, hoe beter het materiaal ook warmte geleidt. Dit beperkt hun bruikbaarheid in temperatuurafhankelijke toepassingen.

In een nieuwe krant elektrotechnici aan de Duke University demonstreren het eerste volledig diëlektrische (niet-metalen) elektromagnetische metamateriaal:een oppervlak met kuiltjes in de vorm van cilinders zoals het gezicht van een Legoblokje dat is ontworpen om terahertz-golven te absorberen. Hoewel dit specifieke frequentiebereik tussen infraroodgolven en microgolven ligt, de aanpak zou toepasbaar moeten zijn op bijna elke frequentie van het elektromagnetische spectrum.

De resultaten verschenen op 9 januari online in het tijdschrift Optica Express .

"Mensen hebben dit soort apparaten eerder gemaakt, maar eerdere pogingen met diëlektrica zijn altijd gepaard gegaan met op zijn minst wat metaal, " zei Willie Padilla, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Duke University. "We moeten de technologie nog optimaliseren, maar het pad voorwaarts naar verschillende toepassingen is veel gemakkelijker dan met op metaal gebaseerde benaderingen."

Padilla en zijn collega's creëerden hun metamateriaal met met borium gedoteerd silicium - een niet-metaal. Met behulp van computersimulaties, ze berekenden hoe terahertz-golven zouden interageren met cilinders van verschillende hoogtes en breedtes.

De onderzoekers maakten vervolgens een prototype bestaande uit honderden van deze geoptimaliseerde cilinders die in rijen op een plat oppervlak waren uitgelijnd. Fysieke tests toonden aan dat het nieuwe "meta-oppervlak" 97,5 procent van de energie absorbeerde die werd geproduceerd door golven van 1,011 terahertz.

Het efficiënt absorberen van energie uit elektromagnetische golven is een belangrijke eigenschap voor veel toepassingen. Bijvoorbeeld, warmtebeeldapparatuur kan werken in het terahertz-bereik, maar omdat ze eerder op zijn minst wat metaal hebben toegevoegd, scherpe beelden krijgen was een uitdaging.

"Warmte plant zich snel voort in metalen, wat problematisch is voor warmtebeeldcamera's, " zei Xinyu Liu, een doctoraalstudent in Padilla's laboratorium en eerste auteur van het artikel. "Er zijn trucs om het metaal tijdens de fabricage te isoleren, maar dat wordt omslachtig en kostbaar."

Een andere mogelijke toepassing van de nieuwe technologie is efficiënte verlichting. Gloeilampen maken licht, maar creëren ook een aanzienlijke hoeveelheid verspilde warmte. Ze moeten bij hoge temperaturen werken om licht te produceren - veel hoger dan het smeltpunt van de meeste metalen.

"We kunnen een diëlektrisch meta-oppervlak produceren dat is ontworpen om licht uit te stralen, zonder restwarmte te produceren, "Zei Padilla. "Hoewel we dit al hebben kunnen doen met op metaal gebaseerde metamaterialen, je moet op hoge temperatuur werken om het hele ding te laten werken. Diëlektrische materialen hebben een veel hoger smeltpunt dan metalen, en we proberen deze technologie nu snel naar het infrarood te verplaatsen om een ​​verlichtingssysteem te demonstreren."