Forskare vid Duke University har byggt den första metallfria, dynamiskt inställbart metamaterial för styrning av elektromagnetiska vågor. Tillvägagångssättet skulle kunna utgöra grunden för tekniker som sträcker sig från förbättrade säkerhetsskannrar till nya typer av visuella skärmar.

Resultaten visas den 9 april i tidskriften Avancerade material .

Ett metamaterial är ett konstgjort material som manipulerar vågor som ljus och ljud genom egenskaper hos dess struktur snarare än dess kemi. Forskare kan designa dessa material för att ha sällsynta eller onaturliga egenskaper, som förmågan att absorbera specifika områden av det elektromagnetiska spektrumet eller att böja ljus bakåt.

"Dessa material består av ett rutnät av separata enheter som kan ställas in individuellt, sa Willie Padilla, professor i el- och datateknik vid Duke. "När en våg passerar genom ytan, metamaterialet kan styra amplituden och fasen på varje plats i nätet, vilket gör att vi kan manipulera vågen på många olika sätt."

I den nya tekniken, varje gallerplats innehåller en liten kiselcylinder bara 50 mikron hög och 120 mikron bred, med cylindrarna åtskilda 170 mikron från varandra. Även om kisel normalt inte är ett ledande material, forskarna bombarderar cylindrarna med en specifik ljusfrekvens i en process som kallas fotodoping. Detta genomsyrar det typiskt isolerande materialet med metalliska egenskaper genom att excitera elektroner på cylindrarnas ytor.

Dessa nyligen frigjorda elektroner får cylindrarna att interagera med elektromagnetiska vågor som passerar genom dem. Storleken på cylindrarna dikterar vilka ljusfrekvenser de kan interagera med, medan fotodopingens vinkel påverkar hur de manipulerar de elektromagnetiska vågorna. Genom att målmedvetet konstruera dessa detaljer, metamaterialet kan styra elektromagnetiska vågor på många olika sätt.

För denna studie, cylindrarna var dimensionerade för att interagera med terahertzvågor – ett band av det elektromagnetiska spektrumet som sitter mellan mikrovågor och infrarött ljus. Att kontrollera denna ljusvåglängd kan förbättra bredbandskommunikationen mellan satelliter eller leda till säkerhetsteknik som enkelt kan skanna igenom kläder. Tillvägagångssättet kan också anpassas till andra band i det elektromagnetiska spektrumet - som infrarött eller synligt ljus - helt enkelt genom att skala storleken på cylindrarna.

"Vi demonstrerar ett nytt fält där vi dynamiskt kan styra varje punkt på metaytan genom att justera hur de fotodopas, " sa Padilla. "Vi kan skapa vilken typ av mönster vi vill, så att vi kan skapa linser eller strålstyrningsanordningar, till exempel. Och eftersom de styrs av ljusstrålar, de kan förändras väldigt snabbt med väldigt lite kraft."

Medan befintliga metamaterial kontrollerar elektromagnetiska vågor genom sina elektriska egenskaper, den nya tekniken kan också manipulera dem genom deras magnetiska egenskaper.

"Detta tillåter varje cylinder att inte bara påverka den inkommande vågen, men interaktionen mellan närliggande cylindrar, sa Kebin Fan, en forskare i Padillas laboratorium och första författare till artikeln. "Detta ger metamaterialet mycket mer mångsidighet, såsom förmågan att kontrollera vågor som rör sig över ytan av metamaterialet snarare än genom det."

"Vi är mer intresserade av den grundläggande demonstrationen av fysiken bakom denna teknik, men den har några framträdande egenskaper som gör den attraktiv för enheter, sa Padilla.

"Eftersom den inte är gjord av metall, det kommer inte att smälta, vilket kan vara ett problem för vissa applikationer, " sa han. "Den har subvåglängdskontroll, vilket ger dig mer frihet och mångsidighet. Det är också möjligt att omkonfigurera hur metamaterialet påverkar inkommande vågor extremt snabbt, som har vår grupp som planerar att utforska att använda den för dynamisk holografi."