Forskare inom tillämpad fysik har röjt ett viktigt hinder i utvecklingen av avancerade material, kallas metamaterial, som böjer ljus på ovanliga sätt.

Arbeta i en skala som är tillämplig på infrarött ljus, Harvard-teamet har använt extremt korta och kraftfulla laserpulser för att skapa tredimensionella mönster av små silverprickar i ett material. Dessa upphängda metallprickar är viktiga för att bygga futuristiska enheter som osynlighetskappor.

Den nya tillverkningsprocessen, beskrivs i journalen Bokstäver i tillämpad fysik , utvecklar metalllitografi i nanoskala till tre dimensioner – och gör det med en upplösning som är tillräckligt hög för att vara praktisk för metamaterial.

"Om du vill ha ett bulkmetamaterial för synligt och infrarött ljus, du behöver bädda in partiklar av silver eller guld i ett dielektrikum, och du måste göra det i 3D, med hög upplösning, " säger huvudförfattaren Kevin Vora, en doktorand vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

"Detta arbete visar att vi kan skapa silverprickar som är bortkopplade i x, y, och z, " säger Vora. "Det finns ingen annan teknik som gör det möjligt för dig att göra det. Att kunna göra mönster av nanostrukturer i 3D är ett mycket stort steg mot målet att göra bulk-metamaterial."

Vora arbetar i Eric Mazurs laboratorium, Balkanski professor i fysik och tillämpad fysik vid SEAS. I årtionden, Mazur har använt en utrustning som kallas femtosekundlaser för att undersöka hur mycket hårt fokuserad, kraftfulla ljusskurar kan förändra det elektriska, optisk, och fysikaliska egenskaper hos ett material.

När en konventionell laser lyser på ett transparent material, ljuset går rakt igenom, med lätt brytning. Femtosekundlasern är speciell eftersom den avger en skur av fotoner lika ljusa som solens yta i en blixt som bara varar 50 kvadrilliondelar (5 × 10) ^-14 ) på en sekund. Istället för att lysa igenom materialet, den energin fastnar i den, excitera elektronerna i materialet och uppnå ett fenomen som kallas olinjär absorption.

Inuti fickan där energin är fångad, en kemisk reaktion kan ske, permanent förändra materialets inre struktur. Processen har tidigare utnyttjats för 2D och enkel 3D metall nanotillverkning.

"I vanliga fall, när människor använder femtosekundlasrar vid tillverkning, de skapar en trähögstruktur:något staplat på något annat, få stöd av något annat, " förklarar Mazur.

"Om du vill göra en rad silverprickar, dock, de kan inte flyta i rymden."

I den nya processen, Vora, Mazur, och deras kollegor kombinerar silvernitrat, vatten, och en polymer som kallas PVP till en lösning, som de gräddar på en glasskiva. Den fasta polymeren innehåller sedan joner av silver, som fotoreduceras av de hårt fokuserade laserpulserna för att bilda nanokristaller av silvermetall, uppburen av polymermatrisen.

Behovet av denna speciella kombination av kemikalier, i rätt koncentrationer, var inte uppenbart i tidigare arbete. Forskare kombinerar ibland silvernitrat med vatten för att skapa silvernanostrukturer, men den processen ger inget strukturellt stöd för ett 3D-mönster. En annan process kombinerar silvernitrat, vatten, PVP, och etanol, men proverna mörknar och bryts ner mycket snabbt genom att producera silverkristaller i hela polymeren.

Med etanol, reaktionen sker för snabbt och okontrollerat. Mazurs team behövde kristaller i nanoskala, exakt distribuerad och isolerad i 3D.

"Det var bara en fråga om att ta bort det reagenset, och vi hade tur, " säger Vora. "Det som var mest förvånande med det var hur enkelt det är. Det gällde att använda mindre."