Inom materialvetenskapens område har elektromagnetiska (EM) metamaterial uppstått som en revolutionerande klass av konstruerade kompositer som kan manipulera elektromagnetiska vågor på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt. Till skillnad från sina naturligt förekommande motsvarigheter, hämtar EM-metamaterial sina extraordinära egenskaper från sina unika strukturella arrangemang, vilket gör att de kan uppvisa ouppnåeliga elektromagnetiska egenskaper i konventionella material.
En av de mest fascinerande egenskaperna hos EM-metamaterial ligger i området för nollindexmetamaterial (ZIM). ZIMs har den anmärkningsvärda förmågan att uppnå enhetlig elektromagnetisk fältfördelning över godtycklig form (Figur 1a). Denna unika egenskap öppnar många potentiella applikationer, från ultrakompakta cloaking-anordningar till godtyckligt formade vågledare och linser och fotoniska kristallytemitterande lasrar (Figur 1b).
Trots sin enorma potential har ZIMs ställts inför ett betydande hinder i sin praktiska implementering. Homogeniteten hos ZIM begränsas ofta av antalet enhetsceller per våglängd i fritt utrymme. Denna begränsning härrör från egenskapen med låg permittivitet hos materialen som används för att konstruera ZIM. Som ett resultat kräver ZIM ofta stort fysiskt utrymme för att uppnå sina effektiva elektromagnetiska egenskaper (Figur 2b).
Forskare har övervunnit denna långvariga utmaning i en studie publicerad i eLight genom att utveckla en mycket homogen ZIM med en ny kombination av högpermittiva material.
Som visas i figur 3a, genom att använda SrTiO3 keramiska pelare inbäddade i en BaTiO3 bakgrundsmatris, har de framgångsrikt tillverkat en ZIM med en över trefaldig ökning av homogeniseringsnivån (figur 2b och 2e), vilket avsevärt minskar dess fysiska dimensioner.
Baserat på den enhetliga fördelningen av fasen av det elektromagnetiska fältet i hela ZIM, har forskare visat en högriktad antenn. Genom att införliva ZIM i en metallisk vågledare (Figur 4a) har denna antenn närmat sig den grundläggande begränsningen av riktverkan i antennen eftersom bländarstorleken varierar från subvåglängdsregimen till en mycket stor skala (Figur 4c).
Detta genombrott banar väg för en ny era av ZIM-baserade enheter, som erbjuder oöverträffad prestanda och kompaktitet. Forskarnas prestation har djupgående konsekvenser för ett brett spektrum av områden, inklusive trådlös kommunikation, fjärranalys och globala positioneringssystem. Dessutom öppnar deras arbete upp nya möjligheter för grundläggande forskning inom ultrakompakta vågledare, cloaking-anordningar och supraledande kvantberäkningar.
Mer information: Yueyang Liu et al, keramik med hög permittivitet möjliggjorde mycket homogena nollindex-metamaterial för antenner med hög riktning och bortom, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x
Journalinformation: eLight
Tillhandahålls av TranSpread
