Het gebied van metamaterialen, een kruispunt van materiaalkunde, natuurkunde, nanotechnologie en elektrotechniek, heeft tot doel structuren met ongebruikelijke elektromagnetische eigenschappen te produceren. Door de zorgvuldige combinatie van meerdere materialen in een nauwkeurige periodieke opstelling, de resulterende metamaterialen vertonen eigenschappen die anders niet zouden kunnen bestaan, zoals een negatieve brekingsindex. Sommige metamaterialen kunnen zelfs elektromagnetische golven rond hun oppervlak kanaliseren, waardoor ze onzichtbaar zijn voor bepaalde golflengten van licht.

De precisie die nodig is voor het rangschikken van de samenstellende delen van een metamateriaal, ook wel insluitsels genoemd, is een uitdagende stap geweest in hun ontwikkeling en toepassing.

Nutsvoorzieningen, Ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania hebben een manier laten zien om metamaterialen te maken met een enkele opname, het verstrekken van gemakkelijker fabricage, naast andere handige functies.

Analoog aan elektronische "doping, " waar het toevoegen van een kleine hoeveelheid atomaire onzuiverheden aan een "puur" materiaal het elektronische eigenschappen geeft die nodig zijn voor veel reken- en sensorapparatuur, deze "fotonische doping" zou nieuwe manieren mogelijk maken om licht-materie-interacties vorm te geven en op maat te maken, met toekomstige gevolgen voor optische technologie, zoals flexibele fotonica.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , werd geleid door Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey Hoogleraar Electrical and Systems Engineering, samen met leden van zijn groep, Iñigo liberaal, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li en Brian Edwards.

"Net als bij elektronische doping, wanneer het toevoegen van een set vreemde atomen in een verder puur materiaal de elektronische en optische eigenschappen van de gastheer aanzienlijk kan veranderen, "Engheta zei, "'fotonische doping' betekent dat het toevoegen van een vreemd fotonisch object in een gespecialiseerde fotonische gastheerstructuur de optische verstrooiing van de oorspronkelijke structuur op een belangrijke manier kan veranderen."

Het fenomeen werkt met een specifieke klasse materialen met permittiviteit, een parameter die te maken heeft met de elektrische respons van het materiaal, wiskundig weergegeven door de Griekse letter epsilon, dat is bijna nul.

De belangrijkste kwaliteit van deze epsilon-bijna-nul, of ENZ, materialen is dat het magnetische veld van de golf gelijkmatig wordt verdeeld over de tweedimensionale ENZ-hosts, ongeacht hun dwarsdoorsnedevorm. Dergelijke ENZ-materialen komen van nature voor of kunnen worden gemaakt met traditionele metamateriaal.

In plaats van ingewikkelde periodieke structuren te ontwerpen die de optische en magnetische eigenschappen van dergelijke materialen aanzienlijk veranderen, Engheta en zijn groep bedachten een manier voor een enkele opname in een 2-D ENZ-structuur om dezelfde taak te volbrengen:veranderen welke golflengten van licht dat zal reflecteren of passeren, of het veranderen van de magnetische respons van de structuur

"Als ik de manier wil veranderen waarop een stuk materiaal interageert met licht, Normaal moet ik alles veranderen, "Engheta zei, "Niet hier. Als ik ergens in dit ENZ-materiaal een enkele diëlektrische staaf plaats, de hele structuur zal er anders uitzien vanuit het perspectief van een externe golf."

De diëlektrische staaf is een cilindrische structuur gemaakt van een isolerend materiaal dat kan worden gepolariseerd. Wanneer geplaatst in een 2-D ENZ-host, het kan het magnetische veld binnen deze gastheer beïnvloeden en bijgevolg de optische eigenschappen van het ENZ-materiaal van de gastheer aanzienlijk veranderen.

Omdat het magnetische veld van de golf in de 2-D ENZ-host een uniforme ruimtelijke verdeling heeft, de diëlektrische staaf kan overal in het materiaal worden geplaatst. Inkomende golven gedragen zich dus alsof het gastheermateriaal een significant andere set optische eigenschappen heeft. Omdat de staaf niet op een precieze locatie hoeft te worden geplaatst, constructie van dergelijke fotonisch gedoteerde structuren kan relatief gemakkelijk worden bereikt.

Het toepassen van deze metamateriaalconcepten via "fotonische doping" heeft implicaties voor informatieverwerkingssystemen en toepassingen binnen de telecommunicatie.

"Als we met een golf werken, deze fotonische doping kan voor ons een nieuwe manier zijn om het pad te bepalen dat deze golf aflegt van A naar B binnen een apparaat, "Zei Engheta. "Met een relatief kleine verandering in de diëlektrische staaf, we kunnen golven maken 'die kant op' en 'niet die kant op'. Dat we alleen de stang hoeven te veranderen, wat een klein deel is van het gastheermateriaal, zou moeten helpen met de snelheid van het apparaat, en, omdat het effect hetzelfde is voor de ENZ-host met een willekeurige vorm terwijl het dwarsdoorsnede-oppervlak vast blijft, deze eigenschap kan erg handig zijn voor flexibele fotonica."

Verder onderzoek toont meer gecompliceerde manieren aan om fotonische doping toe te passen op ENZ-materialen, zoals het toevoegen van meerdere staven met verschillende diameters.

"De diëlektrische eigenschap van de staaf kan reageren op thermische, optische of elektrische veranderingen, "Zei Engheta. "Dat betekent dat we het host ENZ-materiaal kunnen gebruiken als uitlezing van een sensor, omdat het licht zou doorlaten of reflecteren als gevolg van veranderingen in die staaf. Het toevoegen van meer staven zou een nog fijnere afstemming van de respons van het materiaal mogelijk maken."