Metamaterialen bestaan ​​niet in de natuur, maar hun vermogen om ultradunne lenzen en ultraefficiënte antennes voor mobiele telefoons te maken, door licht te buigen om satellieten koeler te houden en fotovoltaïsche cellen meer energie te laten absorberen, bieden ze een wereld aan mogelijkheden.

Gevormd door nanostructuren die fungeren als "atomen, " gerangschikt op een substraat om het pad van het licht te veranderen op manieren die geen gewoon materiaal kan bereiken, deze surrogaatstoffen kunnen een inkomende lichtstraal manipuleren om efficiëntere versies van alomtegenwoordige, waardevolle apparaten—optische filters, lasers, frequentieomvormers en apparaten die balken sturen, bijvoorbeeld.

Maar uitgebreid commercieel gebruik van metamaterialen is beperkt door de beperkingen die worden opgelegd door de materialen waaruit ze bestaan. Op metaal gebaseerde metamaterialen zijn "lossy" (energie verliezen) bij kortere golflengten en kunnen alleen effectief werken bij lage frequenties, zoals de radiofrequenties die door radar worden gebruikt, voordat ze overweldigd worden door hun eigen absorptie. Silicium straalt geen licht uit en kan het vanwege zijn smalle werkbereik (bandgap) slechts in een beperkt golflengtebereik doorlaten. Dus geen van beide materiaalklassen kan een metamateriaal creëren dat werkt in het infrarood en optische bereik, waar de meeste militaire en commerciële toepassingen zouden plaatsvinden.

Optische metamaterialen betreden de arena

Onderzoekers van Sandia National Laboratories helpen de weg te banen naar het gebruik van III-V-halfgeleiders als bouwstenen van metamaterialen. (III-V verwijst naar elementen in die kolommen in het periodiek systeem.) Sandia-onderzoekers hebben technische artikelen gepubliceerd, waarvan drie in het afgelopen jaar, op werk met materialen als galliumarsenide en aluminiumarsenide, die efficiënter zijn dan metalen voor optische metamateriaaltoepassingen, met bredere bandgap-bereiken dan silicium. Het werk is veelbelovend genoeg om op de omslagen van twee technische tijdschriften te hebben gestaan.

"Er is wereldwijd heel weinig werk aan volledig diëlektrische metamaterialen met behulp van III-V-halfgeleiders, " zei Sandia-onderzoeker Igal Brener, die samen met onderzoekers Mike Sinclair en Sheng Liu het Sandia-werk leidt. "Ons voordeel is Sandia's uitgebreide toegang tot III-V-technologie, zowel in groei als verwerking, dus we kunnen vrij snel schakelen."

Glansder dan goud

De nieuwe diëlektrische materialen van Sandia - een soort elektrische isolator - bieden meer dan alleen efficiëntie. Ze verliezen weinig binnenkomende energie en kunnen zelfs in meerdere lagen worden gefabriceerd om complexe, driedimensionale meta-atomen die meer licht reflecteren dan glanzende gouden oppervlakken, gewoonlijk beschouwd als het ultieme in infraroodreflectiviteit. De III-V-materialen zenden ook fotonen uit wanneer ze worden geëxciteerd - iets dat silicium, die kan reflecteren, zenden en absorberen - kan niet.

Een ander voordeel is hun zeer variabele output, over het kleurenspectrum, zodat ze kunnen worden gebruikt om het golflengtebereik van lasers uit te breiden of voor het genereren van "verstrengelde fotonen" voor kwantumcomputers.

Sandia's benadering is ook aantrekkelijk vanwege de relatief eenvoudige methode om de kunstmatige atomen te vormen, bekend als resonatoren, dat zijn de ingewanden van het metamateriaal.

Gemaakt onder toezicht van Liu, de meta-atomen hebben een diameter van een paar honderd nanometer en zijn gemaakt van veel echte atomen. Een van Liu's verbeteringen was om deze kleine groepen rond hun omtrek te oxideren om gelaagde coatings te creëren met een lage brekingsindex, in plaats van een duurdere, tijdrovend "flip-chip" hechtproces. De complexiteit van eerdere methoden was een obstakel voor kosten- en tijdefficiëntie. Andere Sandia-onderzoekers hadden eerder een variant van zijn vereenvoudiging gebruikt om lasers te maken, maar geen metamaterialen, hij zei.

De geoxideerde, oppervlak met lage index omringt de kern met hoge index "zoals in de winter, je hebt een jas om je heen, " zei Liu. "Om het licht te beperken, je hebt een hoog brekingsindexcontrast nodig." Anders gezegd, binnenlicht dat tegen het oxide-oppervlak met lage index botst, wordt teruggedreven door het brekingsverschil, zodat het langs de kern met hoge index reist.

Liu's Sandia-collega Gordon Keeler bereikte gecontroleerde oxidatie door eenvoudig III-V-materialen in een hete oven te plaatsen en waterdamp over het monster te laten stromen. "Het zal met een bepaalde snelheid oxideren, " zegt Liu. "Hoe meer materiaal, hoe langer het duurt."

De door de mens gemaakte meta-atomen worden op hun plaats gebeeldhouwd tijdens een lithografisch proces waarmee onderzoekers elk patroon kunnen maken dat ze kiezen voor de plaatsing van de metamateriaalcomponenten. "We gebruiken simulaties om ons te sturen, " zei Liu. De afstand wordt tot op zekere hoogte bepaald door de grootte van de door de mens gemaakte atomen.

Gebroken kubische nanostructuren slaan ongewoon grote hoeveelheden energie op

De onderzoekers experimenteerden met cilindrische en kubische nanostructuren, het verminderen van de symmetrie van de laatste om nog betere eigenschappen te bereiken.

"Cilinders zijn veel gemakkelijker te fabriceren en kunnen doorgaans worden gebruikt voor conventionele meta-oppervlakken, " zei Brener. "Maar kubussen met gebroken symmetrie zijn cruciaal om zeer scherpe resonanties te verkrijgen. Dat is de kern van de krant."

Het idee om opzettelijk de symmetrie van een kubische resonator-nanostructuur te verminderen, ontstond vijf of zes jaar geleden, zei Sinclair, met een toevallig ontwerp dat de opzettelijk symmetrische vorm van de meta-atomen brak toen het team probeerde een bepaalde fabricagefout na te bootsen.

"Tijdens een door laboratorium gestuurd onderzoek en ontwikkeling [LDRD] Metamaterials Grand Challenge, toen we voor het eerst kubische resonatoren fabriceerden om te zien of we voorbij microgolven konden komen in infrarood en optische metamaterialen, we speelden met de vorm van resonatoren om het effect van lithografische fouten te simuleren. In één simulatie, we sneden toevallig een hoek van de kubus af en plotseling verschenen er zeer scherpe reflectiebanden, ' zei Sinclair.

Voorafgaand aan die ontdekking, diëlektrische resonatormetamaterialen vertoonden alleen brede banden die niet veel energie vasthielden. De onderzoekers ontdekten dat de nieuwe scherpe resonanties een grotere energieopslag mogelijk maakten - gunstig voor een efficiënte frequentieconversie, en misschien zelfs voor lichtemissie en laserwerking.

Verkenning van de gekrompen resonator moest wachten op een later project, gesponsord door het Department of Energy's Office of Science. Salvatore Campione, voortbouwend op eerder werk van Lorena Basilio, Larry Warne en William Langston - allemaal Sandia - gebruikten elektromagnetische simulaties om te ontrafelen hoe de kubussen precies licht vangen. Willie Luk van Sandia heeft de reflecterende eigenschappen van de kubussen gemeten. Een andere LDRD-subsidie ​​ondersteunt momenteel onderzoek naar lasering van metamateriaal.

"We hebben het gevoel dat we een behoorlijk flexibel platform hebben gecreëerd voor veel verschillende soorten apparaten, ' zei Sinclair.

Het lopende werk wordt geholpen door John Reno van Sandia, nationaal bekend om het kweken van uiterst nauwkeurige kristallijne structuren, die de III-V-wafels hebben bijgedragen.