Föreningen av teori och praktik skapar bredband, praktiska optiska enheter med låg förlust, vilket är anledningen till att två grupper av Penn State-ingenjörer samarbetade för att designa optiska metamaterial som har anpassade applikationer som är lätta att tillverka.

Metamaterial är tillverkade material som får sina ovanliga egenskaper från struktur snarare än bara sammansättning, och har exotiska egenskaper som vanligtvis inte finns i naturen. Nanostrukturerade metamaterial verkar olika för signaler med olika frekvenser. De är spridande, så att om forskare manipulerar denna materialspridning, de får en omfattande kontroll över enhetens prestanda över ett frekvensband.

Förr, att kontrollera metamaterialens optik, forskare använde komplicerade strukturer inklusive 3-dimensionella ringar och spiraler som är svåra om inte omöjliga att tillverka i stort antal och små storlekar vid optiska våglängder. Ur ett praktiskt perspektiv, enkla och tillverkningsbara nanostrukturer är nödvändiga för att skapa högpresterande enheter.

"Vi måste designa (nanostrukturer som kan tillverkas, " sa Theresa S. Mayer, Framstående professor i elektroteknik och meddirektör för Penn State nanofabrication laboratorium.

Att designa material som kan tillåta en rad våglängder att passera samtidigt som de blockerar andra våglängder är mycket svårare än att bara skapa något som sänder en enda frekvens. Att minimera tidsdomänens distorsion av signalen över ett intervall av våglängder är nödvändigt, och materialet måste också ha låg förlust.

"Vi vill inte att signalen ska ändras när den passerar genom enheten, sade Jeremy A Bossard, postdoktor i elektroteknik.

Majoriteten av det som går in måste komma ut med liten absorption eller förvrängningar av signalvågformen på grund av metamaterialets spridning.

"Vad vi gör är att använda globala optimeringsmetoder för att målsätta, över breda bandbredder, de optiska prestanda och nanotillverkningsbegränsningar som krävs av olika designproblem, sade Douglas H. Werner, John L. och Genevieve H. McCain Ordförande professor i elektroteknik. "Designmetoden i kombination med tillverkningsmetoden är avgörande."

Designteamet tittade på befintliga fisknätsstrukturerade metamaterial och tillämpade naturinspirerade optimeringstekniker baserade på genetiska algoritmer. De optimerade dimensionerna på funktioner som storleken på fisknätet och tjockleken på materialen. En av de transformativa innovationerna som gjordes av forskarna var införandet av nanonotches i hörnen av fisknäthålen, skapa ett mönster som kan ställas in för att forma spridningen över stora bandbredder. De rapporterade sitt tillvägagångssätt i dagens (28 mars) nätnummer av Vetenskapliga rapporter .

"Vi introducerade nanonotches i hörnen av lufthålen för att ge mycket mer flexibilitet att självständigt kontrollera egenskaperna för permittivitet och permeabilitet över ett brett band, ", sa Werner. "Det konventionella fisknätet har inte mycket flexibilitet, men är lätt att tillverka."

Permittivitet mäter lättheten eller svårigheten att inducera ett elektriskt fält i ett material, medan permeabiliteten mäter lättheten eller svårigheten att inducera ett magnetfält. Teoretiskt sett, manipulering av permittivitet och permeabilitet tillåter inställning av metamaterialet över ett intervall av våglängder och skapar det önskade brytningsindexet och impedansen.

Teori kan ge en lösning, men kan den lösningen bli verklighet? Tillverkningsteamet satte begränsningar på designen för att säkerställa att materialet kunde tillverkas med elektronstrålelitografi och reaktiv jonetsning. Det ursprungliga materialet var en trelagers sandwich av guld, polyimid och guld på oxiderat kisel. När kiseldioxidmasken och elektronstråleresisten tas bort, forskarna fick ett optiskt metamaterial med önskade egenskaper.

I det här fallet skapade de ett bandpassfilter, men samma principer kan tillämpas på många optiska enheter som används i optiska kommunikationssystem, medicin, testning och karakterisering eller till och med optisk strålskanning om metamaterialet är format för att bilda ett prisma.

En annan användning av detta metamaterial kan vara i kombination med naturmaterial som inte har de önskade egenskaperna för en specifik optisk applikation.

"Alla material har en naturlig spridning, "sa Mayer." Vi kanske vill belägga ett naturmaterial i vissa regioner för att kompensera för spridningen. "

Enligt Werner, för närvarande är det enda sättet att kompensera att hitta ett annat naturmaterial som skulle göra jobbet. Endast sällan finns ett sådant material.