Onderzoekers in de toegepaste natuurkunde hebben een belangrijke hindernis genomen bij de ontwikkeling van geavanceerde materialen, metamaterialen genoemd, die het licht op ongebruikelijke manieren afbuigen.

Werken op een schaal die toepasbaar is op infrarood licht, het Harvard-team heeft extreem korte en krachtige laserpulsen gebruikt om driedimensionale patronen van kleine zilveren stippen in een materiaal te creëren. Die hangende metalen stippen zijn essentieel voor het bouwen van futuristische apparaten zoals onzichtbaarheidsmantels.

Het nieuwe fabricageproces, beschreven in het journaal Technische Natuurkunde Brieven , bevordert metaallithografie op nanoschaal in drie dimensies - en doet dit met een resolutie die hoog genoeg is om praktisch te zijn voor metamaterialen.

"Als je een bulkmetamateriaal wilt voor zichtbaar en infrarood licht, je moet deeltjes zilver of goud inbedden in een diëlektricum, en je moet het in 3D doen, met hoge resolutie, " zegt hoofdauteur Kevin Vora, een afgestudeerde student aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"Dit werk laat zien dat we zilveren stippen kunnen maken die zijn losgekoppeld in x, ja, en zo, ' zegt Vora. 'Er is geen andere techniek waarmee je dat kunt doen. Het kunnen maken van patronen van nanostructuren in 3D is een hele grote stap in de richting van het doel om bulkmetamaterialen te maken."

Vora werkt in het laboratorium van Eric Mazur, Balkanski-hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde bij SEAS. Al decenia, Mazur heeft een apparaat gebruikt dat een femtoseconde laser wordt genoemd om te onderzoeken hoe zeer strak gefocust, krachtige lichtflitsen kunnen de elektrische, optisch, en fysieke eigenschappen van een materiaal.

Wanneer een conventionele laser op een transparant materiaal schijnt, het licht gaat er dwars doorheen, met lichte breking. De femtoseconde laser is speciaal omdat hij in een flits een uitbarsting van fotonen uitstraalt die zo helder is als het oppervlak van de zon in een flits van slechts 50 quadriljoensten (5 × 10 ^-14 ) van een seconde. In plaats van door het materiaal te schijnen, die energie wordt erin gevangen, het exciteren van de elektronen in het materiaal en het bereiken van een fenomeen dat bekend staat als niet-lineaire absorptie.

In de zak waar die energie gevangen zit, er kan een chemische reactie plaatsvinden, het permanent veranderen van de interne structuur van het materiaal. Het proces is eerder gebruikt voor 2D- en eenvoudige 3D-metaalnanofabricage.

"Normaal gesproken, wanneer mensen femtosecondelasers gebruiken bij fabricage, ze creëren een houten stapelstructuur:iets gestapeld op iets anders, ondersteund worden door iets anders, ", legt Mazur uit.

"Als je een reeks zilveren stippen wilt maken, echter, ze kunnen niet in de ruimte zweven."

In het nieuwe proces is Vora, Mazur, en hun collega's combineren zilvernitraat, water, en een polymeer genaamd PVP in een oplossing, die ze op een glasplaatje bakken. Het vaste polymeer bevat dan ionen van zilver, die worden gereduceerd door de scherp gerichte laserpulsen om nanokristallen van zilvermetaal te vormen, ondersteund door de polymeermatrix.

De behoefte aan deze specifieke combinatie van chemicaliën, in de juiste concentraties, was niet duidelijk in het eerdere werk. Onderzoekers combineren zilvernitraat soms met water om zilveren nanostructuren te maken, maar dat proces biedt geen structurele ondersteuning voor een 3D-patroon. Een ander proces combineert zilvernitraat, water, PVP, en ethanol, maar de monsters worden donker en degraderen zeer snel door zilverkristallen door het polymeer te produceren.

Met ethanol, de reactie gebeurt te snel en oncontroleerbaar. Mazur's team had kristallen op nanoschaal nodig, nauwkeurig verdeeld en geïsoleerd in 3D.

"Het was gewoon een kwestie van dat reagens verwijderen, en we hebben geluk gehad, "zegt Vora. "Het meest verrassende was hoe eenvoudig het is. Het was een kwestie van minder gebruiken."