Onderzoekers van Duke University hebben de eerste metaalvrije, dynamisch afstembaar metamateriaal voor het beheersen van elektromagnetische golven. De aanpak zou de basis kunnen vormen voor technologieën variërend van verbeterde beveiligingsscanners tot nieuwe soorten visuele displays.

De resultaten verschijnen op 9 april in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Een metamateriaal is een kunstmatig materiaal dat golven zoals licht en geluid manipuleert door eigenschappen van de structuur in plaats van door de chemie. Onderzoekers kunnen deze materialen zo ontwerpen dat ze zeldzame of onnatuurlijke eigenschappen hebben, zoals het vermogen om specifieke delen van het elektromagnetische spectrum te absorberen of om licht naar achteren te buigen.

"Deze materialen bestaan ​​uit een raster van afzonderlijke eenheden die individueel kunnen worden afgestemd, " zei Willie Padilla, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "Als een golf door het oppervlak gaat, het metamateriaal kan de amplitude en fase op elke locatie in het raster regelen, waardoor we de golf op veel verschillende manieren kunnen manipuleren."

In de nieuwe technologie, elke rasterlocatie bevat een kleine siliciumcilinder van slechts 50 micron hoog en 120 micron breed, met de cilinders op een onderlinge afstand van 170 micron. Hoewel silicium normaal gesproken geen geleidend materiaal is, de onderzoekers bombarderen de cilinders met een specifieke lichtfrequentie in een proces dat fotodoping wordt genoemd. Dit doordrenkt het typisch isolerende materiaal met metaalachtige eigenschappen door elektronen op de cilinderoppervlakken te exciteren.

Deze nieuw vrijgekomen elektronen zorgen ervoor dat de cilinders interageren met elektromagnetische golven die er doorheen gaan. De grootte van de cilinders bepaalt met welke lichtfrequenties ze kunnen interageren, terwijl de hoek van de fotodoping invloed heeft op hoe ze de elektromagnetische golven manipuleren. Door deze details doelbewust te engineeren, het metamateriaal kan elektromagnetische golven op veel verschillende manieren controleren.

Voor deze studie is de cilinders waren bemeten om te interageren met terahertz-golven - een band van het elektromagnetische spectrum dat zich tussen microgolven en infraroodlicht bevindt. Het beheersen van deze lichtgolflengte kan de breedbandcommunicatie tussen satellieten verbeteren of leiden tot beveiligingstechnologie die gemakkelijk door kleding heen kan scannen. De aanpak kan ook worden aangepast aan andere banden van het elektromagnetische spectrum, zoals infrarood of zichtbaar licht, door simpelweg de grootte van de cilinders te schalen.

"We demonstreren een nieuw veld waarin we elk punt van het meta-oppervlak dynamisch kunnen controleren door aan te passen hoe ze worden gefotodoteerd, " zei Padilla. "We kunnen elk type patroon maken dat we willen, waardoor we lenzen of straalgestuurde apparaten kunnen maken, bijvoorbeeld. En omdat ze worden bestuurd door lichtstralen, ze kunnen heel snel veranderen met heel weinig kracht."

Terwijl bestaande metamaterialen elektromagnetische golven controleren door hun elektrische eigenschappen, de nieuwe technologie kan ze ook manipuleren door hun magnetische eigenschappen.

"Hierdoor kan elke cilinder niet alleen de inkomende golf beïnvloeden, maar de interactie tussen naburige cilinders, " zei Kebin Fan, een onderzoekswetenschapper in Padilla's laboratorium en eerste auteur van het artikel. "Dit geeft het metamateriaal veel meer veelzijdigheid, zoals het vermogen om golven te beheersen die over het oppervlak van het metamateriaal reizen in plaats van er doorheen."

"We zijn meer geïnteresseerd in de basisdemonstratie van de fysica achter deze technologie, maar het heeft een paar opvallende kenmerken die het aantrekkelijk maken voor apparaten, ' zei Padilla.

"Omdat het niet van metaal is, het zal niet smelten, wat voor sommige toepassingen een probleem kan zijn, "zei hij. "Het heeft subgolflengteregeling, wat u meer vrijheid en veelzijdigheid geeft. Het is ook mogelijk om opnieuw te configureren hoe het metamateriaal inkomende golven extreem snel beïnvloedt, waarvan onze groep van plan is om het te gebruiken voor dynamische holografie."