Om osynlighetskappor och andra gee-whiz-appar någonsin kommer att flytta från science fiction till science fact, vi behöver veta mer om hur dessa konstiga metamaterial faktiskt fungerar. Michigan Tech-forskaren Elena Semouchkina har gått tillbaka till grunderna och kastat mer ljus över fysiken bakom magin.

Metamaterial erbjuder den mycket verkliga möjligheten att våra mest långsökta fantasier en dag kan bli verkliga som stenar. Från osynlighetskappor och perfekta linser till oerhört kraftfulla batterier, deras superkraftsapplikationer lockar fantasin. Som sagt, hittills har "tantalize" varit det operativa ordet, även om forskare har studerat metamaterial i mer än 15 år.

"Inte många verkliga metamaterialanordningar har utvecklats, "säger Elena Semouchkina, docent i elektroteknik vid Michigan Technological University. Soldater kan inte kasta osynlighetskappor över deras axlar för att undgå prickskytteld, och ingen perfekt linsapp låter dig se virus med din smartphone. Till viss del, det beror på att traditionellt forskare förenklar hur metamaterial faktiskt fungerar. Semouchkina säger att deras komplikationer ofta har ignorerats.

Så hon och hennes team började undersöka dessa komplikationer och upptäckte att metamaterialets magi drivs av mer än bara en fysikmekanism. Ett papper som beskriver deras forskning publicerades nyligen online av Journal of Physics D:Tillämpad fysik .

Enkel!

Metamaterial kan verka komplexa och futuristiska, men motsatsen är närmare sanningen, säger Semouchkina. Metamaterial ("meta" är det grekiska ordet för "bortom") är konstruerade material som har egenskaper som inte finns i naturen. De är vanligtvis byggda av flera identiska element tillverkade av konventionella material, såsom metaller eller icke -ledande material. Tänk på en Rubiks kub gjord av miljoner enheter mindre än tjockleken på ett människohår.

Dessa designmaterial fungerar genom att böja banorna för elektromagnetisk strålning-från radiovågor till synligt ljus till högenergigammastrålar-på nya och olika sätt. Hur metamaterial böjer dessa vägar - en process som kallas brytning - driver deras speciella tillämpningar. Till exempel, en osynlig mantel av metamaterial skulle böja ljusvågornas banor runt ett förslutet föremål, accelererar dem på väg, och återförena dem på andra sidan. Således, en åskådare kunde se vad som låg bakom föremålet, medan själva föremålet skulle vara osynligt.

Den konventionella metoden bland metamaterialforskare har varit att relatera ett metamaterials brytningsegenskaper till resonans. Varje liten byggsten i metamaterialet vibrerar som en stämgaffel när den elektromagnetiska strålningen passerar, orsakar önskad typ av brytning.

Men inte så enkelt. . .

Semouchkina undrade om det kan finnas ytterligare faktorer inblandade i att böja vågornas vägar.

"Metamaterial verkar enkla, men deras fysik är mer komplicerad, " hon säger, förklara att hon och hennes team fokuserade på dielektriska metamaterial, som är byggda av element som inte leder elektricitet.

Teamet körde många datasimuleringar och gjorde en överraskande upptäckt:det var formen och repetitiva organisationen av byggstenarna inom metamaterialet - deras periodicitet - som påverkade brytningen. Resonans verkade ha lite eller ingenting att göra med det.

Metamaterialen de studerade hade egenskaper hos en annan typ av artificiellt material, fotoniska kristaller. Precis som metamaterial, fotoniska kristaller är gjorda av många identiska celler. Dessutom, de beter sig som de halvledare som används inom elektronik, förutom att de sänder fotoner istället för elektroner.

"Vi upptäckte att de egenskaper som följer med att vara en fotonisk kristall kan dölja resonansen hos metamaterial, till den grad att de kan orsaka ovanlig brytning - inklusive negativ brytning, som är nödvändigt för utvecklingen av en perfekt lins, "Säger Semouchkina.

Tillbaka till grunderna

Så vad betyder detta för forskarna och ingenjörerna som designar morgondagens supermaterial?

"I grund och botten, vi måste inse att några av dessa strukturer kan uppvisa egenskaper hos fotoniska kristaller, och vi måste ta hänsyn till deras fysik, " säger Semouchkina. "Det är ett fält i utveckling, och det är mycket mer komplicerat än vi har gett det kredit för. "

Semouchkinas team arbetar med att utveckla osynlighetskappor med fotoniska kristaller, men hon betonar att metamaterialforskning kan ha andra verkliga tillämpningar. Ett av hennes projekt fokuserar på att använda metamaterialkoncept för att förbättra känsligheten för magnetisk resonansbildning (MRI), vilket kan leda till bättre medicinsk diagnostik och framsteg inom biologisk forskning.

"Detta är ett mycket praktiskt resultat, jämfört med Harry Potter -grejer, " hon säger.

Att förstå metamaterialens underliggande fysik kommer att påskynda utvecklingen av sådana enheter.