Een nieuw gemaakt materiaal met nano-architectuur vertoont een eigenschap die voorheen alleen theoretisch mogelijk was:het kan licht naar achteren breken, ongeacht de hoek waaronder het licht het materiaal raakt.

Deze eigenschap staat bekend als negatieve breking en betekent dat de brekingsindex - de snelheid waarmee licht door een bepaald materiaal kan reizen - onder alle hoeken negatief is over een deel van het elektromagnetische spectrum.

Breking is een veelvoorkomende eigenschap in materialen; denk aan de manier waarop een rietje in een glas water opzij lijkt te zijn verschoven, of de manier waarop lenzen in een bril het licht bundelen. Maar negatieve breking houdt niet alleen in dat het licht een paar graden naar één kant wordt verschoven. In plaats daarvan wordt het licht in een hoek gestuurd die volledig tegengesteld is aan die waarin het het materiaal binnenkwam. Dit is in de natuur niet waargenomen, maar vanaf de jaren zestig werd aangenomen dat het voorkomt in zogenaamde kunstmatig periodieke materialen - dat wil zeggen materialen die zijn geconstrueerd met een specifiek structureel patroon. Pas nu hebben fabricageprocessen de theorie ingehaald om negatieve breking werkelijkheid te maken.

"Negatieve breking is cruciaal voor de toekomst van nanofotonica, die probeert het gedrag van licht te begrijpen en te manipuleren wanneer het op de kleinst mogelijke schaal interageert met materialen of vaste structuren", zegt Julia R. Greer, Ruben F. en Donna Mettler Professor van Caltech. of Materials Science, Mechanics and Medical Engineering, en een van de senior auteurs van een paper waarin het nieuwe materiaal wordt beschreven. Het artikel is gepubliceerd in Nano Letters op 21 oktober.

Het nieuwe materiaal bereikt zijn ongebruikelijke eigenschap door een combinatie van organisatie op nano- en microschaal en de toevoeging van een coating van een dunne metalen germaniumfilm via een tijd- en arbeidsintensief proces. Greer is een pionier in het creëren van dergelijke materialen met nano-architectuur, of materialen waarvan de structuur is ontworpen en georganiseerd op nanometerschaal en die bijgevolg ongebruikelijke, vaak verrassende eigenschappen vertonen, bijvoorbeeld uitzonderlijk lichtgewicht keramiek dat terugveert naar hun oorspronkelijke vorm, als een spons, na te zijn samengedrukt.

Onder een elektronenmicroscoop lijkt de structuur van het nieuwe materiaal op een rooster van holle kubussen. Elke kubus is zo klein dat de breedte van de balken die de structuur van de kubus vormen 100 keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Het rooster is gemaakt van een polymeermateriaal, waarmee relatief eenvoudig kan worden gewerkt bij 3D-printen, en vervolgens gecoat met het metaal germanium.

"De combinatie van de structuur en de coating geeft het rooster deze ongebruikelijke eigenschap", zegt Ryan Ng (MS '16, Ph.D. '20), corresponderend auteur van het Nano Letters-artikel. Ng voerde dit onderzoek uit toen hij een afgestudeerde student was in het laboratorium van Greer en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie in Spanje. Het onderzoeksteam richtte zich op de kubus-roosterstructuur en het materiaal als de juiste combinatie door middel van een nauwgezet computermodelleringsproces (en de wetenschap dat geranium een ​​materiaal met een hoge index is).

Om het polymeer op die schaal gelijkmatig met een metaal te kunnen coaten, moest het onderzoeksteam een ​​geheel nieuwe methode ontwikkelen. Uiteindelijk gebruikten Ng, Greer en hun collega's een sputtertechniek waarbij een schijf van germanium werd gebombardeerd met hoogenergetische ionen die germaniumatomen van de schijf en op het oppervlak van het polymeerrooster schoten. "Het is niet eenvoudig om een ​​gelijkmatige coating te krijgen", zegt Ng. "Het heeft veel tijd en moeite gekost om dit proces te optimaliseren."

De technologie heeft potentiële toepassingen voor telecommunicatie, medische beeldvorming, radarcamouflage en computergebruik.

In 1965 voorspelde Caltech-alumnus Gordon Moore (Ph.D. '54), een levenslang lid van de Caltech Board of Trustees, dat geïntegreerde schakelingen elke twee jaar twee keer zo ingewikkeld en half zo duur zouden worden. Vanwege de fundamentele limieten op vermogensdissipatie en transistordichtheid die worden toegestaan ​​door de huidige siliciumhalfgeleiders, zou de schaling die wordt voorspeld door de wet van Moore spoedig moeten eindigen. "We bereiken het einde van ons vermogen om de wet van Moore te volgen; elektronische transistors zo klein mogelijk maken", zegt Ng. Het huidige werk is een stap in de richting van het aantonen van optische eigenschappen die nodig zijn om 3D-fotonische circuits mogelijk te maken. Omdat licht veel sneller beweegt dan elektronen, zouden 3D-fotonische circuits in theorie veel sneller zijn dan traditionele.

De Nano-letters paper is getiteld "Dispersion Mapping in 3-dimensionale Core-Shell Photonic Crystal Lattices die in staat zijn tot negatieve breking in het midden-infrarood." + Verder verkennen

Nieuwe materialen vertonen een gespleten persoonlijkheid