Metamaterialområdet, en skärningspunkt mellan materialvetenskap, fysik, nanoteknik och elektroteknik, syftar till att producera strukturer med ovanliga elektromagnetiska egenskaper. Genom den noggranna kombinationen av flera material i ett exakt periodiskt arrangemang, de resulterande metamaterialen uppvisar egenskaper som annars inte kunde existera, såsom ett negativt brytningsindex. Vissa metamaterial kan till och med kanalisera elektromagnetiska vågor runt sina ytor, gör dem osynliga för vissa ljusets våglängder.

Den precision som behövs för att arrangera ett metamaterials konstitutiva delar, även känd som inneslutningar, har varit ett utmanande steg i deras utveckling och tillämpning.

Nu, Ingenjörer från University of Pennsylvania har visat ett sätt att göra metamaterial med en enda inkludering, ger enklare tillverkning, bland andra användbara funktioner.

Analogt med elektronisk "dopning, "där tillsats av en liten mängd atomföroreningar till ett" rent "material ger det elektroniska egenskaper som är nödvändiga för många beräknings- och avkänningsanordningar, denna "fotoniska dopning" skulle möjliggöra nya sätt att skulptera och skräddarsy ljus-materia interaktioner, med framtida inverkan på optisk teknik, såsom flexibel fotonik.

Studien, publicerad i tidningen Vetenskap , leddes av Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey Professor i el- och systemteknik, tillsammans med medlemmar i hans grupp, Iñigo Liberal, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li och Brian Edwards.

"Precis som vid elektronisk dopning, när man lägger till en uppsättning främmande atomer i ett annars rent material kan avsevärt förändra värdens elektroniska och optiska egenskaper, "Sade Engheta, "'fotonisk dopning' betyder att lägga till ett främmande fotoniskt objekt i en specialiserad fotonisk värdstruktur kan förändra den optiska spridningen av den ursprungliga strukturen på ett stort sätt."

Fenomenet fungerar med en specifik klass av material som har permittivitet, en parameter som har att göra med materialets elektriska svar, matematiskt representerad av den grekiska bokstaven epsilon, det är nästan noll.

Nyckelkvaliteten för dessa epsilon-nära-noll, eller ENZ, material är att vågens magnetfält är jämnt fördelat genom de tvådimensionella ENZ-värdarna, oavsett deras tvärsnittsform. Sådana ENZ -material förekommer antingen naturligt eller kan tillverkas med traditionella metamaterial.

I stället för att konstruera komplicerade periodiska strukturer som väsentligt förändrar de optiska och magnetiska egenskaperna hos sådana material, Engheta och hans grupp utarbetade ett sätt för en enda inkludering i en 2-D ENZ-struktur för att utföra samma uppgift:att ändra vilka våglängder av ljus som kommer att reflektera eller passera igenom, eller ändra strukturens magnetiska svar

"Om jag vill ändra hur en materialdel interagerar med ljus, Jag måste normalt ändra allt, "Sade Engheta, "Inte här. Om jag placerar en enda dielektrisk stång någonstans i detta ENZ -material, hela strukturen kommer att se annorlunda ut ur en extern vågs perspektiv. "

Den dielektriska stången är en cylindrisk struktur gjord av ett isolerande material som kan polariseras. När den sätts in i en 2-D ENZ-värd, det kan påverka magnetfältet inom denna värd och kan följaktligen i synnerhet ändra de optiska egenskaperna hos värd -ENZ -materialet.

Eftersom vågens magnetfält i 2-D ENZ-värden har en enhetlig rumslig fördelning, den dielektriska staven kan placeras var som helst i materialet. Inkommande vågor beter sig alltså som om värdmaterialet har en väsentligt annorlunda uppsättning optiska egenskaper. Eftersom stången inte behöver placeras på en exakt plats, konstruktion av sådana fotoniskt dopade strukturer kan uppnås relativt enkelt.

Att tillämpa dessa metamaterialkoncept via "fotonisk dopning" har konsekvenser för informationsbehandlingssystem och applikationer inom telekommunikation.

"När vi arbetar med en våg, denna fotoniska dopning kan vara ett nytt sätt för oss att bestämma vägen som denna våg tar från A till B i en enhet, "Engheta sa." Med en relativt liten förändring i den dielektriska staven, vi kan få vågor att "gå åt det här hållet" och "gå inte på det sättet." Att vi bara behöver göra en ändring av stången, som är en liten del av värdmaterialet, ska hjälpa till med enhetens hastighet, och, eftersom effekten är densamma för ENZ-värden med godtycklig form samtidigt som dess tvärsnittsarea hålls fast, den här egenskapen kan vara mycket användbar för flexibel fotonik. "

Ytterligare forskning visar mer komplicerade sätt att applicera fotonisk dopning på ENZ -material, som att lägga till flera stavar med olika diametrar.

"Stångets dielektriska egenskap kan reagera på värme, optiska eller elektriska förändringar, "Sade Engheta." Det betyder att vi kan använda värd-ENZ-materialet som avläsning av en sensor, eftersom det skulle överföra eller reflektera ljus på grund av förändringar i den stången. Att lägga till fler stavar skulle möjliggöra ännu finare inställning av materialets svar. "