In de materiaalkunde, achromatische optische componenten kunnen worden ontworpen met een hoge transparantie en lage dispersie. Materiaalwetenschappers hebben aangetoond dat, hoewel metalen zeer ondoorzichtig zijn, dicht opeengepakte arrays van metalen nanodeeltjes met meer dan 75 volumeprocent metaal kunnen transparanter worden voor infraroodstraling dan diëlektrica zoals germanium. Dergelijke arrays kunnen effectieve diëlektrica vormen die vrijwel dispersievrij zijn over ultrabreedbandbereiken van golflengten om een ​​verscheidenheid aan op metamateriaal gebaseerde optische apparaten van de volgende generatie te ontwikkelen.

Wetenschappers kunnen de lokale brekingsindices van dergelijke materialen afstemmen door de grootte te veranderen, vorm en afstand van nanodeeltjes om lenzen met een gradiëntindex te ontwerpen die licht op de microschaal geleiden en focussen. Het elektrische veld kan sterk worden geconcentreerd in de openingen tussen metalen nanodeeltjes om gelijktijdig te focussen en te 'knijpen' van het diëlektrische veld om sterke, dubbel verbeterde hotspots. Wetenschappers kunnen deze hotspots gebruiken om metingen met infraroodspectroscopie en andere niet-lineaire processen over een breed frequentiebereik te stimuleren.

In een recente studie die nu is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Samuel J. Palmer en een interdisciplinair onderzoeksteam in de departementen Natuurkunde, Wiskunde en nanotechnologie in het VK, Spanje en Duitsland, toonde aan dat kunstmatige diëlektrica zeer transparant kunnen blijven voor infraroodstraling en observeerde dit resultaat zelfs wanneer de deeltjes nanoscopisch waren. Ze toonden aan dat het elektrische veld de deeltjes doordringt (waardoor ze onvolmaakt zijn voor geleiding) zodat er sterke interacties tussen hen kunnen optreden in een dicht opeengepakte opstelling. De resultaten zullen materiaalwetenschappers in staat stellen optische componenten te ontwerpen die achromatisch zijn voor toepassingen in het midden-tot-infrarode golflengtegebied.

Palmer en collega's waren in staat om de lokale brekingsindex van deze componenten af ​​te stemmen door de grootte te veranderen, vorm en afstand van nanodeeltjes met gevoeligheid voor de lokale brekingsindex van de omgeving. De wetenschappers versterkten het elektrische veld in de openingen tussen de metalen nanodeeltjes in de array en maakten tegelijkertijd gebruik van hun transparantie, afstembaarheid en een hoge metallische vulfractie om een ​​lens met een gradiëntindex te ontwerpen. Het werk concentreerde het licht op de microschaal en kneep het elektrische veld in de nanoschaal om de dubbel verbeterde elektrische veldhotspot in het hele infrarood (IR) gebied te produceren. De wetenschappers stellen zich voor dat het nieuwe werk metingen zal stimuleren die zijn gemaakt met behulp van IR-spectroscopie en andere niet-lineaire processen over een breed scala aan frequenties.

Materiaalwetenschappers zijn momenteel in staat om nieuwe en geavanceerde materialen te ontwikkelen; echter, geen enkel nieuw materiaal is echt homogeen in zijn samenstelling. Hoe dan ook, de meeste materialen kunnen worden gekarakteriseerd met behulp van homogene microscopische eigenschappen zoals brekingsindices waarbij de atomaire inhomogeniteiten kleiner zijn dan de gemiddelde golflengten van optisch licht dat op het materiaal valt. Kunstmatig geconstrueerde materialen die bekend staan ​​als metamaterialen worden beschreven door een effectieve index wanneer het materiaal een voldoende subgolflengtestructuur bevat. Vroege metamaterialen omvatten kunstmatige diëlektrica bestaande uit reeksen van metaaldeeltjes op centimeters die in staat zijn om radiogolven te geleiden en te focussen als een diëlektricum. De metaaldeeltjes van vroege kunstmatige diëlektrische materialen waren zo groot dat ze zich gedroegen als perfecte geleiders met een hoge transparantie voor radiogolven. Recent onderzoek in de materiaalwetenschap heeft tot doel effectieve diëlektrica voor het zichtbare en infrarode spectrum te bouwen met behulp van metalen deeltjesreeksen op nanoschaal. Vooruitgang in de assemblage van metalen nanodeeltjes kan vervolgens geavanceerde engineering van ongekende licht-materie-interacties in het optische domein mogelijk maken.

In het huidige werk, Palmer et al. contrasteerde de transparantie van nanocilinder-arrays en nanosferen (hoewel nanodeeltjes andere vormen kunnen hebben) met germanium om aan te tonen dat de arrays licht konden geleiden en concentreren. De arrays van nanocilinders gedroegen zich als effectieve diëlektrica met transversaal elektrisch gepolariseerd licht; waar een transversale kracht op de elektronen leidde tot oscillerende oppervlakteladingen die de oscillerende dipolen van een atoom in een echt diëlektricum nabootsten.

In tegenstelling tot, de reactie van de cilinders op transversaal magnetisch gepolariseerd licht was vergelijkbaar met het bulkmetaal, omdat elektronen vrij waren om te bewegen onder de werking van het longitudinale elektrische veld zonder de cilinderoppervlakken te ontmoeten. De arrays van nanosferen in het onderzoek gedroegen zich als effectieve diëlektrica, ongeacht de invallende polarisatie - het focussen van de elektronen in elke richting om te resulteren in oppervlakteladingen die de oscillerende dipolen van een diëlektricum imiteerden. Dergelijke arrays vertoonden een hoge transparantie in vergelijking met echte diëlektrica zoals germanium, zelfs wanneer het systeem meer dan 75 procent metaal bevatte.

Om de nauwkeurigheid van de voorgestelde theorie te testen, Palmer et al. produceerde een sterk geordend colloïdaal superkristal met behulp van gouden nanodeeltjes met een diameter van 60 nm. Ze deponeerden het superkristal op een germaniumsubstraat en karakteriseerden het materiaal (geteste fysieke eigenschappen) met behulp van een UV-vis-NIR-spectrofotometer. De wetenschappers observeerden een uitstekende transparantie van de materialen, het aantonen van de haalbaarheid van het experimenteel produceren van metamaterialen. Met behulp van magnetische nabije velden, ze toonden aan dat de effectieve diëlektrica transparant genoeg waren om te fungeren als lenzen op micrometerschaal voor infraroodstraling. Ondanks dat het 82 volumeprocent metaal bevat, de wetenschappers merkten op dat het breken van het massieve goud in een reeks gouden nanocilinders een transparante lens produceerde die in staat was om licht te focussen, sterk lijkt op het gedrag van een homogene diëlektrische lens.

De wetenschappers vergeleken vervolgens verschillende soorten metalen (aluminium, zilver, goud en titanium) om aan te tonen dat materialen met een langere huiddiepte de meest transparante en minst verspreide nanodeeltjesarrays produceerden. Palmer et al. toonde aan dat bij een vaste golflengte, de verhouding van de deeltjesdiameter tot de huiddiepte van het metaal bepaald of het deeltje zich zou gedragen als quasideeltjesdipolen of als perfecte geleiders.

Naast een hoge transparantie, de wetenschappers konden het systeem afstemmen door de grootte te regelen, vorm en ruimte van de deeltjes. Bijvoorbeeld, Palmer et al. controleerde de aspectverhouding van arrays van elliptische cilinders om aan te tonen dat de anisotrope respons van het materiaal kon worden afgestemd. De numerieke resultaten toonden aan dat de effectieve index gemakkelijk kon worden afgesteld om met meer dan 50 procent te variëren wanneer het systeem werd geroteerd. Daardoor waren de wetenschappers in staat om de effectieve index af te stemmen door de deeltjesposities vast te stellen en hun grootte af te stemmen.

Om dit potentieel te benadrukken om de lokale effectieve index af te stemmen, Palmer et al. construeerde vervolgens een gradiëntindex (GRIN) lens met behulp van driehoekige roosters van gouden cilinders en varieerde de diameters van de cilinders met positie. Met behulp van de GRIN-lens, de wetenschappers waren in staat om tegelijkertijd licht op de microschaal te focussen en vervolgens licht op de nanoschaal te 'knijpen' om de intense, 'dubbel versterkte' elektrische veldhotspots. In tegenstelling tot plasmonische verbeteringen, het effect was niet afhankelijk van lossy resonanties, aantonen van breedband- en verliesarme eigenschappen.

Ze toonden aan dat het brandpunt van de GRIN-lens moest samenvallen met het gebied met de dichtste pakking om de samendrukking van het elektrische veld te maximaliseren. In tegenstelling tot magnetische velden die continu waren over de lucht-metaalinterfaces in het onderzoek, het elektrische veld sterk gelokaliseerd in de gaten. Als resultaat, het knijpen van een golflengte van 2 m in openingen van 2 nm produceerde sterke hotspots van hoge intensiteit in het onderzoek.

Op deze manier, Palmer et al. verliesarm gebouwd, effectieve diëlektrica uit arrays van metalen nanodeeltjes. De wetenschappers verkregen zeer transparante arrays die de transparantie van echte diëlektrica zoals germanium overtroffen; bekend om hun transparantie voor laagenergetische straling. Ze waren ook in staat om lokaal de grootte af te stemmen en te controleren, vorm en ruimte van de deeltjes die de nieuwe metamaterialen vormen. De wetenschappers toonden aan dat de effectieve index in wezen constant is voor alle golflengten groter dan 2 µm. Dit werk stelt materiaalwetenschappers in staat om geavanceerde optische apparaten te ontwerpen en te engineeren met metamaterialen die licht over een breed scala aan frequenties geleiden of verbeteren, in wezen zonder een bovengrens aan de golflengte.

© 2019 Wetenschap X Netwerk