Als onzichtbaarheidsmantels en andere gekke apps ooit van science fiction naar science fact gaan, we zullen meer moeten weten over hoe deze vreemde metamaterialen echt werken. Michigan Tech-onderzoeker Elena Semouchkina is teruggegaan naar de basis en heeft meer licht geworpen op de fysica achter de magie.

Metamaterialen bieden de zeer reële mogelijkheid dat onze meest vergezochte fantasieën ooit echt kunnen worden als stenen. Van onzichtbaarheidsmantels en perfecte lenzen tot immens krachtige batterijen, hun superkrachttoepassingen prikkelen de verbeelding. Dat gezegd hebbende, tot nu toe is "verleiden" het operatieve woord geweest, hoewel wetenschappers al meer dan 15 jaar metamaterialen bestuderen.

"Er zijn niet veel echte metamateriaalapparaten ontwikkeld, " zegt Elena Semouchkina, een universitair hoofddocent elektrotechniek aan de Michigan Technological University. Soldaten kunnen geen onzichtbaarheidsmantels over hun schouders gooien om sluipschutters te ontwijken, en geen perfecte lens-app laat je virussen zien met je smartphone. Gedeeltelijk, dat komt omdat traditioneel onderzoekers vereenvoudigen overdreven hoe metamaterialen eigenlijk werken. Semouchkina zegt dat hun complicaties vaak zijn genegeerd.

Dus begonnen zij en haar team die complicaties te onderzoeken en ontdekten dat de magie van metamaterialen wordt aangedreven door meer dan slechts één mechanisme van de natuurkunde. Een paper waarin hun onderzoek wordt beschreven, is onlangs online gepubliceerd door de Journal of Physics D:Applied Physics .

Eenvoudig!

Metamaterialen lijken misschien complex en futuristisch, maar het tegenovergestelde is dichter bij de waarheid, zegt Semouchkina. Metamaterialen ("meta" is het Griekse woord voor "buiten") zijn geconstrueerde materialen die eigenschappen hebben die niet in de natuur voorkomen. Ze zijn meestal opgebouwd uit meerdere identieke elementen die zijn gemaakt van conventionele materialen, zoals metalen of niet-geleidende materialen. Denk aan een Rubiks kubus gemaakt van miljoenen eenheden kleiner dan de dikte van een mensenhaar.

Deze designermaterialen werken door de paden van elektromagnetische straling - van radiogolven tot zichtbaar licht tot hoogenergetische gammastralen - op nieuwe en andere manieren te buigen. Hoe metamaterialen die paden buigen - een proces dat breking wordt genoemd - drijft hun eigenaardige toepassingen aan. Bijvoorbeeld, een metamateriële onzichtbaarheidsmantel zou de paden van lichtgolven rond een verhuld object buigen, ze versnellen op hun weg, en herenigen ze aan de andere kant. Dus, een toeschouwer kon zien wat zich achter het object bevond, terwijl het object zelf onzichtbaar zou zijn.

De conventionele benadering onder onderzoekers van metamaterialen was om de brekingseigenschappen van een metamateriaal te relateren aan resonantie. Elke kleine bouwsteen van het metamateriaal trilt als een stemvork als de elektromagnetische straling er doorheen gaat, het gewenste type breking veroorzaken.

Maar niet zo eenvoudig. . .

Semouchkina vroeg zich af of er misschien nog andere factoren een rol spelen bij het buigen van de paden van de golven.

"Metamaterialen lijken eenvoudig, maar hun fysica is ingewikkelder, " ze zegt, uitleggend dat zij en haar team zich concentreerden op diëlektrische metamaterialen, die zijn opgebouwd uit elementen die geen elektriciteit geleiden.

Het team voerde talloze computersimulaties uit en deed een verrassende ontdekking:het was de vorm en repetitieve organisatie van de bouwstenen in het metamateriaal - hun periodiciteit - die de breking beïnvloedden. Resonantie leek er weinig of niets mee te maken te hebben.

De metamaterialen die ze bestudeerden, hadden kenmerken van een ander soort kunstmatig materiaal, fotonische kristallen. Net als metamaterialen, fotonische kristallen zijn gemaakt van veel identieke cellen. In aanvulling, ze gedragen zich als de halfgeleiders die in de elektronica worden gebruikt, behalve dat ze fotonen zenden in plaats van elektronen.

"We ontdekten dat de eigenschappen die samengaan met het zijn van een fotonisch kristal de resonantie van metamaterialen kunnen maskeren, tot het punt dat ze ongebruikelijke breking kunnen veroorzaken, inclusief negatieve breking, die nodig is voor de ontwikkeling van een perfecte lens, ' zegt Semouchkina.

Terug naar de basis

Dus wat betekent dit voor de wetenschappers en ingenieurs die de supermaterialen van morgen ontwerpen?

"In principe, we moeten erkennen dat sommige van deze structuren eigenschappen van fotonische kristallen kunnen vertonen, en we moeten rekening houden met hun fysica, "zegt Semouchkina. "Het is een evoluerend veld, en het is een stuk ingewikkelder dan we het hebben toegeschreven."

Semouchkina's team werkt aan het ontwikkelen van onzichtbaarheidsmantels met behulp van fotonische kristallen, maar ze benadrukt dat onderzoek naar metamaterialen andere toepassingen in de echte wereld kan hebben. Een van haar projecten richt zich op het gebruik van metamateriaalconcepten om de gevoeligheid van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) te verbeteren, die zouden kunnen leiden tot betere medische diagnostiek en vooruitgang in biologisch onderzoek.

"Dit is een heel praktisch resultaat, vergeleken met de Harry Potter-dingen, " ze zegt.

Het begrijpen van de onderliggende fysica van metamaterialen zal de ontwikkeling van dergelijke apparaten versnellen.