Sandia National Laboratories forskare Igal Brener, höger, Sheng Liu, Centrum, och Mike Sinclair står i laboratoriet där arbete gjordes för att skapa metamaterial på underlag. Liu presenterar en version här. Upphovsman:av Randy Montoya
Metamaterial finns inte i naturen, men deras förmåga att göra ultratunna linser och extremt effektiva mobiltelefonantenner, böj ljus för att hålla satelliterna svalare och låt solceller absorbera mer energi så att de erbjuder en värld av möjligheter.
Bildad av nanostrukturer som fungerar som "atomer, "arrangerat på ett underlag för att förändra ljusets väg på sätt som inget vanligt material kan uppnå, dessa surrogatämnen kan manipulera en inkommande ljusstråle för att möjliggöra skapandet av mer effektiva versioner av allestädes närvarande, värdefulla enheter - optiska filter, lasrar, frekvensomvandlare och enheter som styr balkar, till exempel.
Men omfattande kommersiell användning av metamaterial har begränsats av de begränsningar som materialet innehåller. Metallbaserade metamaterial är "lossy" (förlorar energi) vid kortare våglängder och kan fungera effektivt endast vid låga frekvenser, t.ex. radiofrekvenser som används av radar, innan de blir överväldigade av sin egen absorption. Kisel avger inte ljus och kan överföra det endast i ett begränsat våglängdsområde på grund av sitt smala arbetsområde (bandgap). Så ingen av materialklasserna kan skapa ett metamaterial som fungerar inom de infraröda och optiska områdena, där de flesta militära och kommersiella tillämpningar skulle äga rum.
Optiska metamaterial kommer in på arenan
Sandia National Laboratories forskare hjälper till att leda vägen till användning av III-V halvledare som byggstenar för metamaterial. (III-V hänvisar till element i dessa kolumner i det periodiska systemet.) Sandia-forskare har publicerat tekniska dokument, inklusive tre under det senaste året, på arbete med material som gallium-arsenid och aluminium-arsenid, som är effektivare än metaller för optiska metamaterialapplikationer, med bredare bandgapintervall än kisel. Verket är tillräckligt lovande för att ha funnits på omslagen till två tekniska tidskrifter.
"Det finns väldigt lite arbete över hela världen på alla dielektriska metamaterial som använder III-V halvledare, "sa Sandia -forskaren Igal Brener, som leder Sandia -arbetet med forskarna Mike Sinclair och Sheng Liu. "Vår fördel är Sandias stora tillgång till III-V-teknik, både i tillväxt och bearbetning, så vi kan gå ganska snabbt. "
Glansigare än guld
De nya Sandia dielektriska materialen - en slags elektrisk isolator - erbjuder mer än bara effektivitet. De tappar lite inkommande energi och kan till och med tillverkas i flera lager för att bilda komplexa, tredimensionella metatomer som reflekterar mer ljus än blanka guldytor, brukar anses vara det ultimata inom infraröd reflektivitet. III-V-materialen avger också fotoner vid upphetsning-något som kisel, som kan reflektera, överföra och absorbera - kan inte göra.
Krossformade metas yta av kuboida resonatorer visar en spektralt bred inkommande ljusvåg. (Grafen överst visar ett brett spektrum.) Efter att ha passerat genom metasytan, strålen blir spektralt smal på grund av de skarpa resonanserna hos den brutna symmetriytan. (Diagrammet på botten visar ett smalt spektrum.) Pilarnas virvlande mönster representerar den elektriska fältfördelningen av ljus som fångas i resonatorerna. Upphovsman:Sandia National Laboratories
En annan fördel är deras mycket varierande utgångar, över färgspektrumet så att de kan användas för att utöka laserns våglängdsintervall eller för att generera "intrasslade fotoner" för kvantberäkning.
Sandias tillvägagångssätt är också attraktivt för sin relativt enkla metod att bilda de artificiella atomerna, kallas resonatorer, som är tarmarna i metamaterialet.
Skapad under överinseende av Liu, meta-atomerna är några hundra nanometer i diameter och består av många faktiska atomer. En av Lius förbättringar var att oxidera dessa små grupper runt deras omkrets för att skapa skiktade beläggningar med lågt brytningsindex, istället för att använda en dyrare, tidskrävande "flip-chip" bindningsprocess. Komplexiteten i tidigare metoder var ett hinder för kostnadseffektivitet och tidseffektivitet. Andra Sandia -forskare hade tidigare använt en variant av hans förenkling för att göra lasrar, men inte metamaterial, han sa.
De oxiderade, lågindexyta omger kärnan med hög index "som på vintern, du har en kappa som omger dig, "Sa Liu." För att begränsa ljuset, du behöver en hög brytningsindexkontrast. "Sätt på ett annat sätt, det inre ljuset som stöter på den lågindexerade oxidytan tvingas tillbaka av brytningsskillnaden så att den rör sig längs kärnan med hög index.
Lius Sandia-kollega Gordon Keeler uppnådde kontrollerad oxidation helt enkelt genom att sätta III-V-material i en varm ugn och rinnande vattenånga över provet. "Det kommer att oxidera med en viss hastighet, "Säger Liu." Ju mer material, ju längre tid det tar. "
De konstgjorda meta-atomerna skulpteras på plats under en litografisk process som gör det möjligt för forskare att göra valfritt mönster som de väljer för placeringen av metamaterialkomponenterna. "Vi använder simuleringar för att styra oss, "Sade Liu. Avståndet bestäms till viss del av storleken på de konstgjorda atomerna.
Frakturerade kubiska nanostrukturer lagrar ovanligt stora mängder energi
Forskarna experimenterade med cylindriska och kubiska nanostrukturer, minska symmetrin hos den senare för att uppnå ännu bättre egenskaper.
Denna tre-resonatortjocka III-V-metasyta av cylindriska resonatorer illustrerar tre möjliga användningsområden:Den vänstra ljusstrålen ändrar färg när den passerar genom metasytorna, vilket betyder att olinjär harmonisk generation pågår som omvandlar ljusstrålen till en kortare våglängd. Det blå spåret i mitten visar ett tåg av pulser som passerar genom ytan. När de passerar, pulsbredden minskar på grund av pulskomprimering, vilket kräver att fasen för den överförda optiska vågen varierar med våglängden. Flerskiktsmetasytorna kan uppnå rätt fasvariation - något som inte är möjligt med metaskiktsytor. Strålen till höger indikerar att dessa metasytor kan fungera som effektiva avgivare av ljus. Upphovsman:Sandia National Laboratories
"Cylindrar är mycket lättare att tillverka och kan vanligtvis användas för konventionella metasytor, "sade Brener." Men kuber med trasig symmetri är avgörande för att få mycket skarpa resonanser. Det är tidningens nyckelfråga. "
Tanken att avsiktligt minska symmetrin hos en kubisk resonator nanostruktur uppstod för fem eller sex år sedan, sade Sinclair, med en serendipitös design som råkade bryta den avsiktligt symmetriska formen på metatomerna när teamet försökte efterlikna en viss tillverkningsfel.
"Under en laboratoriedirekt forskning och utveckling [LDRD] Metamaterials Grand Challenge, när vi först tillverkade kubikresonatorer i vårt försök att se om vi kunde komma bortom mikrovågor till infraröda och optiska metamaterial, vi lekte med formen av resonatorer för att försöka simulera effekten av litografifel. I en simulering, vi råkade klippa ett hörn av kuben och helt plötsligt dök mycket skarpa reflektionsband upp, "Sa Sinclair.
Innan den upptäckten, dielektriska resonatormetamaterial visade bara breda band som inte fångade mycket energi. Forskarna fann att de nya skarpa resonanserna tillät större energilagring - fördelaktigt för effektiv frekvensomvandling, och kanske till och med för ljusemission och lasning.
Utforskning av den krympade resonatorn fick vänta på ett senare projekt, sponsras av Department of Energy's Office of Science. Salvatore Campione, bygger på tidigare arbete av Lorena Basilio, Larry Warne och William Langston - hela Sandia - använde elektromagnetiska simuleringar för att reda ut exakt hur kuberna fångar ljus. Sandias Willie Luk mätte kubernas reflekterande egenskaper. Ett annat LDRD -bidrag stöder för närvarande forskning om metamateriallasing.
"Vi känner att vi har skapat en ganska flexibel plattform för många olika typer av enheter, "Sa Sinclair.
Det pågående arbetet får hjälp av Sandias John Reno, nationellt känd för att odla extremt exakta kristallina strukturer, som bidrog med III-V-skivorna.
