Elingenjörer vid Duke University har skapat världens första elektromagnetiska metamaterial tillverkat utan metall. Enhetens förmåga att absorbera elektromagnetisk energi utan uppvärmning har direkta tillämpningar inom bildbehandling, avkänning och belysning.

Metamaterial är syntetmaterial som består av många individuella, konstruerade funktioner som tillsammans producerar egenskaper som inte finns i naturen. Tänk dig en elektromagnetisk våg som rör sig genom en plan yta som består av tusentals små elektriska celler. Om forskare kan ställa in varje cell för att manipulera vågen på ett specifikt sätt, de kan diktera exakt hur vågen beter sig som en helhet.

För forskare att manipulera elektromagnetiska vågor, dock, de har vanligtvis behövt använda elektriskt ledande metaller. Den metoden, dock, för med sig ett grundläggande problem med metaller - ju högre elektrisk konduktivitet, ju bättre materialet leder också värme. Detta begränsar deras användbarhet i temperaturberoende applikationer.

I ett nytt papper, elektriska ingenjörer vid Duke University demonstrerar det första helt dielektriska (icke-metalliska) elektromagnetiska metamaterialet-en yta som är dimplad med cylindrar som ytan på ett Lego-tegel som är utformat för att absorbera terahertzvågor. Medan detta specifika frekvensområde ligger mellan infraröda vågor och mikrovågor, tillvägagångssättet bör vara tillämpligt för nästan vilken frekvens som helst i det elektromagnetiska spektrumet.

Resultaten dök upp online den 9 januari i tidningen Optik Express .

"Människor har skapat den här typen av enheter tidigare, men tidigare försök med dielektrik har alltid kopplats ihop med åtminstone lite metall, sa Willie Padilla, professor i el- och datateknik vid Duke University. "Vi behöver fortfarande optimera tekniken, men vägen fram till flera applikationer är mycket lättare än med metallbaserade metoder. "

Padilla och hans kollegor skapade sitt metamaterial med bor-dopat kisel-en icke-metall. Med hjälp av datasimuleringar, de beräknade hur terahertzvågor skulle interagera med cylindrar av olika höjd och bredd.

Forskarna tillverkade sedan en prototyp bestående av hundratals av dessa optimerade cylindrar inriktade i rader på en plan yta. Fysiska tester visade att den nya "metasurface" absorberade 97,5 procent av den energi som produceras av vågor vid 1,011 terahertz.

Att effektivt absorbera energi från elektromagnetiska vågor är en viktig egenskap för många tillämpningar. Till exempel, termiska bildanordningar kan fungera inom terahertz -området, men eftersom de tidigare har inkluderat åtminstone lite metall, att få skarpa bilder har varit utmanande.

"Värme sprider sig snabbt i metaller, vilket är problematiskt för termiska avbildare, "sa Xinyu Liu, en doktorand i Padillas laboratorium och första författare till uppsatsen. "Det finns tricks för att isolera metallen under tillverkningen, men det blir besvärligt och kostsamt. "

En annan potentiell tillämpning för den nya tekniken är effektiv belysning. Glödlampor gör ljus men skapar också en betydande mängd spillvärme. De måste arbeta vid höga temperaturer för att producera ljus - mycket högre än smältpunkten för de flesta metaller.

"Vi kan producera en dielektrisk metayta utformad för att avge ljus, utan att producera spillvärme, "Sade Padilla." Även om vi redan har kunnat göra detta med metallbaserade metamaterial, du måste arbeta vid hög temperatur för att det hela ska fungera. Dielektriska material har mycket högre smältpunkter än metaller, och vi försöker nu snabbt flytta denna teknik till det infraröda för att demonstrera ett belysningssystem. "