Två ingenjörer från University of Pennsylvania har föreslagit möjligheten till tvådimensionella metamaterial. Dessa enatomtjocka metamaterial kan uppnås genom att kontrollera ledningsförmågan hos ark av grafen, som är ett enda lager av kolatomer.
Professor Nader Engheta och doktorand Ashkan Vakil, både vid institutionen för el- och systemteknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, publicerade sin teoretiska forskning i tidskriften Vetenskap .
Studiet av metamaterial är ett tvärvetenskapligt område inom naturvetenskap och teknik som har vuxit avsevärt de senaste åren. Det bygger på idén att material kan utformas så att deras övergripande vågkvaliteter inte bara beror på materialet de är gjorda av utan också på mönstret, form och storlek på ojämnheter, känd som "inneslutningar, " eller "metamolekyler" som är inbäddade i värdmedia.
"Genom att designa inneslutningarnas egenskaper, såväl som deras former och densitet, du uppnår i bulkegendomen något som kan vara ovanligt och inte lättillgängligt i naturen, sa Engheta.
Dessa ovanliga egenskaper har i allmänhet att göra med att manipulera elektromagnetiska (EM) eller akustiska vågor; I detta fall, det är EM-vågor i det infraröda spektrumet
Ändra formen, hastighet och riktning för dessa typer av vågor är ett underområde av metamaterial som kallas "transformationsoptik" och kan hitta tillämpningar inom allt från telekommunikation till bildbehandling till signalbehandling.
Engheta och Vakils forskning visar hur transformationsoptik nu kan uppnås med grafen, ett galler av kol en enda atom tjockt.
Forskare, inklusive många på Penn, har ägnat stora ansträngningar åt att utveckla nya sätt att tillverka och manipulera grafen, eftersom dess oöverträffade ledningsförmåga skulle ha många tillämpningar inom elektronikområdet. Engheta och Vakils intresse för grafen, dock, beror på dess förmåga att transportera och styra EM-vågor förutom elektriska laddningar och det faktum att dess ledningsförmåga lätt kan ändras.
Anbringa likspänning på ett ark grafen, genom en jordplatta som löper parallellt med plåten, ändrar hur ledande grafenet är för EM-vågor. Att variera spänningen eller avståndet mellan jordplattan och grafenet förändrar konduktiviteten, "precis som att ställa in en ratt, sa Engheta.
"Detta låter dig ändra ledningsförmågan för olika segment av ett enda ark av grafen olika från varandra, " sa han. Och om du kan göra det, du kan navigera och manipulera en våg med dessa segment. Med andra ord, du kan göra transformationsoptik med grafen."
I detta äktenskap mellan grafen och metamaterial, de olika regionerna av konduktivitet på den effektivt tvådimensionella, en atomtjock plåt fungerar som de fysiska inneslutningarna som finns i tredimensionella versioner.
Exemplen Engheta och Vakil har visat med datormodeller inkluderar ett ark grafen med två områden som har olika konduktivitet, en som kan stödja en våg, och en som inte kan. Gränsen mellan de två områdena fungerar som en mur, kapabel att reflektera en guidad EM-våg på grafenet ungefär som man skulle göra i ett tredimensionellt utrymme.
Ett annat exempel handlar om tre regioner, en som kan stödja en våg omgiven av två som inte kan. Detta producerar en "vågledare, " som fungerar som en enatoms tjock fiberoptisk kabel. Ett tredje exempel bygger på vågledaren, lägga till ytterligare en icke-stödjande region för att dela vågledaren i två.
"Vi kan "tämja" vågen så att den rör sig och böjer sig hur vi vill, ", sa Engheta. "Istället för att leka med gränsen mellan två medier, vi tänker på förändringar av konduktivitet över ett enda ark grafen."
Andra applikationer inkluderar linsning och förmågan att göra "flatland" Fourier-transformationer, en grundläggande aspekt av signalbehandling som finns i nästan varje del av teknik med ljud eller visuella komponenter.
"Detta kommer att bana väg till de tunnaste optiska enheterna man kan tänka sig, "Sa Engheta. "Du kan inte ha något tunnare än en atom!"
