Op het gebied van de materiaalkunde zijn elektromagnetische (EM) metamaterialen naar voren gekomen als een revolutionaire klasse van samengestelde materialen die in staat zijn elektromagnetische golven te manipuleren op manieren die nooit eerder mogelijk waren. In tegenstelling tot hun natuurlijk voorkomende tegenhangers ontlenen EM-metamaterialen hun buitengewone eigenschappen aan hun unieke structurele arrangementen, waardoor ze onbereikbare elektromagnetische eigenschappen kunnen vertonen in conventionele materialen.

Een van de meest fascinerende kenmerken van EM-metamaterialen ligt op het gebied van zero-index metamaterialen (ZIM's). ZIM's bezitten het opmerkelijke vermogen om een ​​uniforme elektromagnetische veldverdeling over een willekeurige vorm te bereiken (Figuur 1a). Deze unieke eigenschap opent vele potentiële toepassingen, van ultracompacte verhulapparaten tot willekeurig gevormde golfgeleiders en lenzen en oppervlakte-emitterende fotonische kristallen (Figuur 1b).

Ondanks hun enorme potentieel zijn ZIM's bij de praktische implementatie ervan geconfronteerd met een aanzienlijke hindernis. De homogeniteit van ZIM's wordt vaak beperkt door het aantal eenheidscellen per golflengte in de vrije ruimte. Deze beperking komt voort uit de lage permittiviteitseigenschap van de materialen die worden gebruikt om ZIM's te construeren. Als gevolg hiervan hebben ZIM's vaak een grote fysieke ruimte nodig om hun effectieve elektromagnetische eigenschappen te bereiken (Figuur 2b).

Onderzoekers hebben deze al lang bestaande uitdaging overwonnen in een onderzoek gepubliceerd in eLight door een zeer homogene ZIM te ontwikkelen met behulp van een nieuwe combinatie van materialen met hoge permittiviteit.

Zoals weergegeven in figuur 3a, door gebruik te maken van SrTiO₃ keramische pilaren ingebed in een BaTiO₃ achtergrondmatrix hebben ze met succes een ZIM gefabriceerd met een meer dan drievoudige toename van het homogenisatieniveau (figuren 2b en 2e), waardoor de fysieke afmetingen aanzienlijk zijn verminderd.

Gebaseerd op de uniforme verdeling van de fase van het elektromagnetische veld door de ZIM, hebben onderzoekers een antenne met hoge directiviteit gedemonstreerd. Door ZIM op te nemen in een metalen golfgeleider (Afbeelding 4a) heeft deze antenne de fundamentele beperking van de richtingsgevoeligheid van de antenne benaderd, aangezien de openingsgrootte varieert van subgolflengteregime tot zeer grote schaal (Afbeelding 4c).

Deze doorbraak maakt de weg vrij voor een nieuw tijdperk van op ZIM gebaseerde apparaten, die ongekende prestaties en compactheid bieden. De prestatie van de onderzoekers heeft diepgaande gevolgen voor een breed scala aan gebieden, waaronder draadloze communicatie, teledetectie en mondiale positioneringssystemen. Bovendien opent hun werk nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek naar ultracompacte golfgeleiders, cloaking devices en supergeleidende kwantumcomputers.

Meer informatie: Yueyang Liu et al. Keramiek met hoge permittiviteit maakte zeer homogene metamaterialen met een nulindex mogelijk voor antennes met hoge directiviteit en meer, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x

Journaalinformatie: eLight

Aangeboden door TransSpread