När det spännande nya området för metamaterial utvecklas, Duke har blivit ett av världens ledande centra för denna forskning. Grundades 2009, Duke's Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics (CMIP) har vuxit till att omfatta dussintals forskare som ägnar sig åt att utforska artificiellt strukturerade material.

Vad dessa olika metamaterialtekniker har gemensamt är kontrollen av vågor, från vågor av vatten runt ett fartygs skrov, till de elektromagnetiska frekvenser som driver vår kommunikation, till ljudvågor som mäts i meter. Med tanke på denna omfattning, de potentiella effekterna av detta arbete är fortfarande oöverskådliga.

"Det finns många sätt att styra vågor, varav många inte var tänkta på tidigare eller verkligen utnyttjades, "sa David R. Smith som var med och grundade CMIP och hjälpte till att rekrytera likasinnade kollegor till Duke." Metamaterials har gett oss ett sätt att hantera vågor på ett sätt som verkligen saknar motstycke. "

Försöker fylla "terahertz -luckan"

El- och datateknik Professor Willie Padilla, som kom till Duke 2014 från Boston College, fokuserar sitt arbete på den minsta våglängden. Hans metamaterialforskning är mest lik David R. Smith, med vem han arbetade med de ursprungliga split-ring-resonatorerna vid UC San Diego för 15 år sedan. Men Padilla fokuserar mest på terahertz -frekvenser som ligger mellan mikrovågor och infrarött på det elektromagnetiska spektrumet.

Terahertz -regimen har länge ignorerats av vetenskapen eftersom den inte lämpar sig väl för manipulation. Radio- och mikrovågsenheterna vi har runt omkring oss verkar på elektroner. Optiska och infraröda enheter fungerar på fotoner. Men när dessa enheter försöker manipulera fotoner eller elektroner i frekvenser längre från sina komfortzoner på det elektromagnetiska spektrumet, de träffade en vägg och slutade bete sig som frågade. Terahertz -intervallet ligger mellan de föredragna frekvensskivorna för båda dessa partiklar.

"Det finns ett grundläggande gap, eller åtminstone teknikbrist, i terahertz -intervallet eftersom vår befintliga teknik är baserad på dessa två grundläggande partiklar (elektronen och fotonen), "Säger Padilla." Du kan inte riktigt fylla det där terahertz -gapet i sig, men du kan hitta vägar runt det. "

Padilla säger att om de kan bemästras, terahertz -vågor har egenskaper som kan vara användbara. De kan tränga igenom torra kläder, vilket gör dem till ett bra val för screening på flygplatser. De kan också ge en mycket större bandbredd för kommunikation, även om deras oförmåga att tränga igenom fukt i luften sannolikt kommer att begränsa dem till intersatellitapplikationer i rymden, inte punkt-till-punkt-applikationer på en grumlig jord.

Padilla arbetar också med metallfria metamaterial som är utformade för att absorbera elektromagnetiska vågor snarare än att fokusera eller avge dem. Sådana material kan vara bra för energiupptagning eller detektorer som aktivt kan söka efter metan- eller naturgasläckage, övervaka hälsan hos stora grödor eller sortera snabbt plast för återvinning.

"Termiska infraröda kameror är begränsade till det infraröda området, "sade Padilla." Med dessa metamaterialabsorberare, vi kan bygga värmekameror i andra områden i spektrumet där det annars skulle vara omöjligt. "

Fånga ljus i nanoskopiska strukturer

"P" i CMIP -förkortningen står för plasmonik, som är Maiken Mikkelsens specialitet, som gick med i Duke 2012. Plasmonics använder fysiska fenomen i nanoskala för att fånga vissa ljusfrekvenser, provocera fram en mängd intressanta beteenden.

Detta uppnås genom att utforma silver kuber bara hundra nanometer breda och placera dem bara några nanometer ovanför en tunn guldfolie. När inkommande ljus träffar ytan på en nanokub, det väcker silverets elektroner, fånga ljusets energi - men bara vid en viss frekvens.

Storleken på silver -nanokuberna och deras avstånd från baslagret av guld avgör den frekvensen, medan du kontrollerar avståndet mellan nanopartiklarna gör det möjligt att justera absorptionsstyrkan. Genom att exakt anpassa dessa avstånd, forskare kan få systemet att absorbera eller avge vilken ljusfrekvens de vill, hela vägen från synliga våglängder ut till det infraröda.

Möjligheten att absorbera eller avge någon ljusfrekvens i dessa områden genom att skräddarsy strukturella egenskaper leder till några intressanta idéer för applikationer. Till exempel, Mikkelsen arbetar med att utveckla tekniken till ett nytt sätt att upptäcka bilder genom flera spektrum. Sådana bildanordningar kan identifiera tusentals växter och mineraler, diagnostisera cancerframkallande melanom och förutsäga vädermönster, helt enkelt genom det ljusspektrum de reflekterar.

Denna applikation har ett steg om nuvarande bildteknik som kan växla mellan spektrum, eftersom de är dyra och skrymmande eftersom de kräver många filter eller komplexa enheter. Och behovet av mekanisk rörelse i sådana enheter minskar deras förväntade livslängd och kan vara ett ansvar under tuffa förhållanden, som de som satelliterna upplever.

"Det är utmanande att skapa sensorer som kan detektera både det synliga spektrumet och det infraröda, "sa Mikkelsen." Traditionellt behöver du olika material som absorberar olika våglängder, och det blir skrymmande och dyrt. Men med vår teknik, detektornas svar baseras på strukturella egenskaper som vi utformar snarare än ett materials naturliga egenskaper. Det som verkligen är spännande är att vi kan para ihop detta med ett fotodetektorschema för att kombinera bildbehandling i både det synliga spektrumet och infrarött på ett enda chip. "

Tekniken kan också användas för utskrift. Istället för att skapa pixlar med områden som är inställda för att svara på specifika färger, Mikkelsen och hennes team skapar pixlar med tre staplar bestående av silver nanokuber som absorberar tre färger:blå, grönt och rött. Genom att styra de relativa längderna för varje stapel, de kan diktera vilken kombination av färger pixeln reflekterar. Det är en ny uppfattning om det klassiska RGB -schemat som först användes inom fotografering 1861.

Men till skillnad från de flesta andra applikationer, det plasmoniska färgschemat lovar att aldrig blekna med tiden och kan reproduceras på ett tillförlitligt sätt med tät noggrannhet gång på gång. Det tillåter också dess adopters att skapa färgscheman i det infraröda.

"På nytt, den spännande delen är att kunna skriva ut både synligt och infrarött med samma material, "sa Mikkelsen." Det är ganska anmärkningsvärt hur egenskaperna hos en struktur kan förändras helt genom små förändringar i arrangemanget samtidigt som man använder samma material byggstenar. "

Böjning låter som ett hologram

Vid den andra ytterligheten av våglängder, långt utanför den elektromagnetiska skalan, CMIP -gruppmedlem Steve Cummer har tagit fram sätt att styra ljud med metamaterial.

"Jag var en del av Duke -teamet som arbetade med cloaking med John Pendry och David Smith, och en naturlig fråga som kom ut ur det arbetet var, kan du göra samma slags tricks för att kontrollera andra typer av vågor? "sa Cummer, som är professor i el- och datateknik och fortsätter att arbeta med elektromagnetiska metamaterial också.

"Ljudvågor var ett naturligt andra val att titta på, "Cummer säger." Efter sex månaders återvändsgränder, Jag hittade äntligen ett tillvägagångssätt som fungerade och visade att du faktiskt kan styra ljudvågor på samma sätt, om du kan skapa rätt materialegenskaper. "

De rätta materialegenskaperna visade sig vara densiteten och kompressionsstyvheten hos vätskan som ljudet rör sig genom. Cummer upptäckte att - som med elektromagnetiska metamaterial - om han skapade specifika strukturer med annars omärkliga material, han kunde styra hur ljudvågor rörde sig.

De färgglada plaststrukturerna hans team gör med 3D-utskrift ser mycket ut som legoklossar som kan staplas och ordnas i olika konfigurationer för att få olika resultat. Insidan av plastblocken innehåller spiraler och andra former som tvingar ljudvågor att ta vägar av varierande längd. De olika reslängderna i varje block inre struktur bromsar delar av en ljudvåg ner i varierande grad, ändra formen på vågen som dyker upp på andra sidan av en uppsättning block.

I en 2016 proof-of-concept studie, Cummer och hans team byggde en vägg av sådana block noggrant skräddarsydda för att skulptera en ljudvåg till ett godtyckligt format hologram, ett format ljud. De valde att göra formen av den stora bokstaven A.

"De flesta känner till hologram av ljus, "sa Cummer." Det är ett allmänt trick som man kan göra med alla slags vågor. Nyckeln är hur man använder en plan yta för att skapa en komplicerad, tredimensionellt vågfält. Vi skapade en akustisk metamaterialstruktur där ljudet som växer fram på andra sidan är ett mycket mer komplicerat ljudfält. Medan vi fick ljudvågen att ta formen av bokstaven A, vi kanske kan göra något som att efterlikna det komplicerade ljudfältet som produceras av en levande orkester från en enda högtalare. "

Andra tillämpningsområden inkluderar ljudisolering eller ljudabsorption, där mer kompakta strukturer bara kunde absorbera oönskade toner, lämnar resten oförändrat. Och om idén skulle kunna minskas till ultraljudsmått, tekniken kan tillåta mindre, billigare, mer energieffektiva ultraljudsavbildningsenheter. '

Krusningar av experiment, färdas åt alla håll

På andra ställen i Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics, team arbetar med trådlös kraftöverföring, mikrovågsavbildning för säkerhetskontroll, vågborttagning i havsgående fartyg med mera. Deras undersökningar sträcker sig från teoretiska beräkningar till prototyper med kommersiell potential.

Och gruppen fortsätter att växa. Sommaren 2018, Natalia Litchinitser kommer att gå med i gruppen från University at Buffalo. Arbetar också inom optisk fotonik, Litchinitser driver sådana projekt som att skapa en metamateriallins som kan lösa cellulära funktioner som är mindre än ljusets våglängd och cloaking -teknik som fungerar genom att skicka ljus som snurrar runt en lång, tunt föremål snarare än att studsa av det.

"Det är något som började som en mycket vetenskaplig strävan, mycket grundläggande forskning, nästan filosofisk, "Smith sa. Men nu finns det metamaterialföretag som växer fram." Resan har varit spektakulär, "Sa Smith." Utifrån "vad är det här bra för?" - vem vet, vem bryr sig - om att bli riktigt besynnerlig, galna idéer, och nu till förfinad verklig kommersialisering av idéer.