De combinatie van theorie en praktijk maakt breedband, optische apparaten met weinig verlies praktisch, daarom werkten twee groepen ingenieurs van Penn State samen om optische metamaterialen te ontwerpen met aangepaste toepassingen die gemakkelijk kunnen worden vervaardigd.

Metamaterialen zijn vervaardigde materialen die hun ongebruikelijke eigenschappen ontlenen aan structuur in plaats van alleen samenstelling, en bezitten exotische eigenschappen die gewoonlijk niet in de natuur voorkomen. Nanogestructureerde metamaterialen zien er anders uit voor signalen van verschillende frequenties. Ze zijn verspreid, zodat als onderzoekers deze materiële verspreiding manipuleren, ze krijgen een uitgebreide controle over de prestaties van het apparaat over een frequentieband.

Vroeger, om de optica van metamaterialen te controleren, onderzoekers gebruikten ingewikkelde structuren, waaronder driedimensionale ringen en spiralen die moeilijk, zo niet onmogelijk, te vervaardigen zijn in grote aantallen en kleine afmetingen bij optische golflengten. Vanuit een praktisch perspectief, eenvoudige en maakbare nanostructuren zijn nodig voor het maken van hoogwaardige apparaten.

"We moeten ontwerpen (nanostructuren die kunnen worden gefabriceerd, " zei Theresa S. Mayer, Distinguished Professor of Electrical Engineering en co-directeur van het nanofabricagelaboratorium van Penn State.

Het ontwerpen van materialen die een reeks golflengten kunnen doorlaten terwijl ze andere golflengten blokkeren, is veel moeilijker dan simpelweg iets maken dat een enkele frequentie kan uitzenden. Het minimaliseren van de tijdsdomeinvervorming van het signaal over een reeks golflengten is noodzakelijk, en het materiaal moet ook een laag verlies hebben.

"We willen niet dat het signaal verandert als het door het apparaat gaat, " zei Jeremy A. Bossard, postdoctoraal onderzoeker in de elektrotechniek.

Het grootste deel van wat erin gaat, moet eruit komen met weinig absorptie of vervorming van de signaalgolfvorm vanwege de dispersie van metamateriaal.

"Wat we doen, is wereldwijde optimalisatiebenaderingen gebruiken om doelen te stellen, over grote bandbreedtes, de optische prestaties en nanofabricagebeperkingen die vereist zijn door verschillende ontwerpproblemen, " zei Douglas H. Werner, John L. en Genevieve H. McCain leerstoel hoogleraar elektrotechniek. "De ontwerpmethodologie in combinatie met de fabricagebenadering is van cruciaal belang."

Het ontwerpteam keek naar bestaande visnet-gestructureerde metamaterialen en paste op de natuur geïnspireerde optimalisatietechnieken toe op basis van genetische algoritmen. Ze optimaliseerden de afmetingen van kenmerken zoals de grootte van het visnet en de diktes van de materialen. Een van de transformatieve innovaties van de onderzoekers was de opname van nano-inkepingen in de hoeken van de visnetgaten, het creëren van een patroon dat kan worden afgestemd om de spreiding over grote bandbreedtes vorm te geven. Ze rapporteerden hun aanpak in het online nummer van vandaag (28 maart) van Wetenschappelijke rapporten .

"We hebben nano-inkepingen in de hoeken van de luchtgaten geïntroduceerd om veel meer flexibiliteit te bieden om onafhankelijk de eigenschappen van permittiviteit en permeabiliteit over een brede band te regelen, " zei Werner. "Het conventionele visnet heeft niet veel flexibiliteit, maar is gemakkelijk te fabriceren."

Permittiviteit meet het gemak of de moeilijkheid van het induceren van een elektrisch veld in een materiaal, terwijl permeabiliteit het gemak of de moeilijkheid meet van het induceren van een magnetisch veld. theoretisch, het manipuleren van permittiviteit en permeabiliteit maakt afstemming van het metamateriaal over een reeks golflengten mogelijk en creëert de gewenste brekingsindex en impedantie.

Theorie kan een oplossing bieden, maar kan die oplossing werkelijkheid worden? Het fabricageteam legde beperkingen op aan het ontwerp om ervoor te zorgen dat het materiaal kon worden vervaardigd met behulp van elektronenstraallithografie en reactief ionenetsen. Het oorspronkelijke materiaal was een drielaagse sandwich van goud, polyimide en goud op geoxideerd silicium. Wanneer het siliciumdioxidemasker en de elektronenstraalweerstand worden verwijderd, de onderzoekers hielden een optisch metamateriaal over met de gewenste eigenschappen.

In dit geval creëerden ze een banddoorlaatfilter, maar dezelfde principes kunnen worden toegepast op veel optische apparaten die worden gebruikt in optische communicatiesystemen, medicijn, testen en karakteriseren of zelfs optische bundelscanning als het metamateriaal wordt gevormd om een ​​prisma te vormen.

Een ander gebruik van dit metamateriaal zou kunnen zijn in combinatie met natuurlijke materialen die niet de gewenste eigenschappen hebben voor een specifieke optische toepassing.

"Alle materialen hebben een natuurlijke verspreiding, " zei Mayer. "Misschien willen we in sommige regio's een natuurlijk materiaal coaten om de dispersie te compenseren."

Volgens Werner, momenteel is de enige manier om te compenseren het vinden van een ander natuurlijk materiaal dat het werk zou doen. Slechts zelden bestaat zo'n materiaal.