Twee ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania hebben de mogelijkheid van tweedimensionale metamaterialen voorgesteld. Deze metamaterialen van één atoom dik kunnen worden bereikt door de geleidbaarheid van vellen grafeen te regelen, dat is een enkele laag koolstofatomen.

Professor Nader Engheta en afgestudeerde student Ashkan Vakil, beide van de afdeling Electrical and Systems Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science, publiceerden hun theoretisch onderzoek in het tijdschrift Wetenschap .

De studie van metamaterialen is een interdisciplinair gebied van wetenschap en techniek dat de afgelopen jaren aanzienlijk is gegroeid. Het is gebaseerd op het idee dat materialen zo kunnen worden ontworpen dat hun algehele golfkwaliteiten niet alleen afhangen van het materiaal waarvan ze zijn gemaakt, maar ook van het patroon, vorm en grootte van onregelmatigheden, bekend als "insluitsels, " of "meta-moleculen" die zijn ingebed in gastheermedia.

"Door de eigenschappen van de insluitsels te ontwerpen, evenals hun vorm en dichtheid, je bereikt in het bulkbezit iets dat ongebruikelijk is en niet direct beschikbaar in de natuur, ' zei Enghetta.

Deze ongebruikelijke eigenschappen hebben over het algemeen te maken met het manipuleren van elektromagnetische (EM) of akoestische golven; in dit geval, het zijn EM-golven in het infraroodspectrum

De vorm veranderen, snelheid en richting van dit soort golven is een subveld van metamaterialen dat bekend staat als "transformatie-optica" en kan toepassingen vinden in alles, van telecommunicatie tot beeldvorming tot signaalverwerking.

Het onderzoek van Engheta en Vakil laat zien hoe transformatie-optica nu kan worden bereikt met behulp van grafeen, een rooster van koolstof een enkel atoom dik.

onderzoekers, waaronder velen bij Penn, hebben aanzienlijke inspanningen gestoken in het ontwikkelen van nieuwe manieren om grafeen te produceren en te manipuleren, omdat zijn ongekende geleidbaarheid vele toepassingen zou hebben op het gebied van elektronica. Engheta en Vakil's interesse in grafeen, echter, is vanwege het vermogen om EM-golven te transporteren en te geleiden naast elektrische ladingen en het feit dat de geleidbaarheid ervan gemakkelijk kan worden gewijzigd.

Gelijkspanning toepassen op een vel grafeen, door middel van een grondplaat die evenwijdig aan de plaat loopt, verandert hoe geleidend het grafeen is voor EM-golven. Het variëren van de spanning of de afstand tussen de grondplaat en het grafeen verandert de geleidbaarheid, "net als het stemmen van een knop, ' zei Enghetta.

"Hierdoor kun je de geleidbaarheid van verschillende segmenten van een enkele plaat grafeen verschillend van elkaar veranderen, "zei hij. En als je dat kunt, je kunt met die segmenten navigeren en een golf manipuleren. Met andere woorden, je kunt transformatie-optica doen met grafeen."

In dit huwelijk tussen grafeen en metamaterialen, de verschillende gebieden van geleidbaarheid op de effectief tweedimensionale, een-atoom-dik blad functioneren als de fysieke insluitsels die aanwezig zijn in driedimensionale versies.

De voorbeelden die Engheta en Vakil met computermodellen hebben aangetoond, omvatten een vel grafeen met twee gebieden met verschillende geleidbaarheid, een die een golf kan ondersteunen, en een die dat niet kan. De grens tussen de twee gebieden fungeert als een muur, in staat om een ​​geleide EM-golf op het grafeen te reflecteren, net zoals men zou doen in een driedimensionale ruimte.

Een ander voorbeeld betreft drie regio's, een die een golf kan dragen, omringd door twee die dat niet kunnen. Dit levert een "golfgeleider, " die functioneert als een glasvezelkabel van één atoom dik. Een derde voorbeeld bouwt voort op de golfgeleider, het toevoegen van een ander niet-ondersteunend gebied om de golfgeleider in tweeën te splitsen.

"We kunnen de golf 'temmen' zodat hij beweegt en buigt zoals we willen, "Zei Engheta. "In plaats van te spelen met de grens tussen twee media, we denken aan veranderingen in geleidbaarheid over een enkel vel grafeen."

Andere toepassingen zijn lensing en de mogelijkheid om "flatland" Fourier-transformaties uit te voeren, een fundamenteel aspect van signaalverwerking dat wordt aangetroffen in bijna elk stukje technologie met audio- of visuele componenten.

"Dit zal de weg vrijmaken voor de dunste optische apparaten die je je kunt voorstellen, ' zei Engheta. 'Je kunt niets dunner dan één atoom hebben!'