Området metamaterial handlar om att göra strukturer som har fysiska egenskaper som inte finns i naturen. Att förutsäga vilka typer av strukturer som skulle ha dessa egenskaper är en utmaning; att fysiskt tillverka dem är en helt annan, eftersom de ofta kräver exakt arrangemang av ingående material på de minsta skalorna.

Forskare vid University of Pennsylvania har nu tagit fram ett sätt att massproducera metamaterial som uppvisar magnetisk resonans i optiska frekvenser. Kallas "hallonliknande metamolekyler" på grund av sin unika form, dessa nanoskala strukturer kan användas som byggstenar för metamaterial som kan sprida ljus som om de hade magnetiska egenskaper, som skulle kunna vara relevanta för tillämpningar inom optisk bearbetning och signalhantering. Dessa hallonliknande metamolekyler reagerar på ljusets magnetfält som en trådslinga gör på en oscillerande magnet.

Denna förmåga härrör från de exakta arrangemangen av den hallonliknande metamolekylens "drupeletter, " som är sammansatta av guld-nanopartiklar. Dessa drupelets måste vara så nära som möjligt utan att röra dem för att inte "kortsluta" de optiska elektriska fälten runt dem. Genom en noggrant utformad kemisk process som belagt varje drupelet med ett isolerande ytaktivt ämne, Penn-teamet kunde placera dessa nanopartiklar med ett genomsnittligt avstånd på bara två nanometer från varandra.

Och eftersom monteringen av nanopartikeldrupelets och den ytaktiva beläggningen kan göras i ett enda steg, stora mängder av dessa hallonliknande metamolekyler kan tillverkas på en gång, snarare än att noggrant monteras en i taget.

Forskningen utfördes av huvudförfattaren Zhaoxia Qian, som nyligen tog examen med en doktorsexamen i kemi från Penn's School of Arts &Sciences; Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey professor i el- och systemteknik vid Penns School of Engineering and Applied Science; Zahra Fakhraai, biträdande professor i kemi i Penn Arts &Sciences; och So-Jung Park, tidigare docent vid Institutionen för kemi, nu professor i kemi vid Sydkoreas Ewha Womans University. Simon Hastings bidrog också, som nyligen tog examen med en doktorsexamen i fysik, och kemistudenten Chen Li, tillsammans med forskningsspecialisten Brian Edwards och gästande student Christine K. McGinn, både inom el- och systemteknik.

Det publicerades i tidskriften ACS Nano .

Om man tar en trådslinga och för en magnet upp och ner genom mitten, det resulterande oscillerande magnetfältet driver elektroner runt tråden, producerar elektrisk ström i tråden. Den principen är i spel i varje generator, som har magneter som svänger runt 50 hertz, eller 50 gånger i sekunden. Men tänk om denna princip kunde utvidgas till optiska frekvenser, i storleksordningen 500 terahertz? Istället för att generera el, slingan skulle kunna manipulera synligt ljus.

"Det finns inga kända material som har magnetiska egenskaper i optiska frekvenser, " sa Fahkraai. "Om du kunde tillverka sådana här strukturer, de kan vara byggstenar för metamaterial som kan sprida ljus som om de hade magnetiska egenskaper."

Engheta förutspådde att en sådan struktur var möjlig 2006, och under de mellanliggande åren har andra forskargrupper fysiskt producerat metamaterial som uppvisar denna egenskap. Sådana strukturer var mestadels noggrant konstruerade ringar av metallnanopartiklar, placerade på en plan yta så att elektroner faktiskt inte kunde röra sig mellan dem.

"Eftersom metallen inte berör, " Engheta sa, "elektronerna kan bara oscillera inom enskilda partiklar och kan inte flytta från en nanopartikel till dess granne. Detta är känt som en förskjutningsström. Det är som att göra vågen på en stadion; ingen fläkt rör sig från sin plats, men vågen rör sig i en cirkel."

En hallonliknande konfiguration, där nanopartiklar är sfäriskt samlade runt en kärna, snarare än en ring, skulle vara ännu bättre, eftersom ett tvärsnitt av hallonet fungerar som en ring av nanopartiklar oavsett vilken riktning magnetfältet appliceras. Andra forskare har börjat gå från mekanisk monteringsteknik till kemisk självmontering av sådana strukturer men har stött på vägspärrar.

Penn-teamets tillvägagångssätt löser problemen genom att anta ett syntetiskt tillvägagångssätt.

"Folk har försökt att göra den här typen av strukturer i lösning förut, typiskt genom att sätta ihop försyntetiserade nanopartiklar, " sa Qian, "men det är svårt att uppnå hög densitet av nanopartiklar som packar sig genom den vägen."

"I vårat fall, " sa Park, "vi genererar tätt packade nanopartikelkluster genom ett syntetiskt tillvägagångssätt där nanopartikeltillväxt och montering sker samtidigt. En utmaning i ett sådant syntetiskt tillvägagångssätt är att växande nanopartiklar tenderar att bilda ett sammansmält skal. I vår metod, vi använder ett speciellt ytaktivt ämne som bildar en molekylärt tunn, men tätt skyddar, lager runt nanopartiklarna, som hindrar dem från att röra vid varandra."

Penn-teamets syntetiska metod minskar en del av komplexiteten som annars följer med att göra dessa hallonliknande metamolekyler.

"Det är som att göra en gryta, " sa Engheta. "Du slänger allt i en gryta."

Ingredienserna till grytan är polystyrenkulor dekorerade med små silverfröpartiklar, silvernitrat, guldsalter och reduktionsmedel som bryter upp dessa salter och låter guldatomerna bilda nanopartiklar. Alla dessa ingredienser placeras i en tillväxtformel som innehåller det isolerande ytaktiva ämnet, som bildar ett tunt lager på utsidan av de växande guldnanopartiklarna, dämpa dem från varandra.

Ytterligare forskning om ytaktiva ämnens kemi kommer att göra det möjligt för teamet att minska avståndet mellan nanopartiklarna ännu mer, för att ytterligare stärka de magnetiska egenskaperna hos de hallonliknande metamolekylerna. Den egenskapen är avgörande för strukturernas förmåga att manipulera ljus och därmed användas i optiska enheter.

"Om du vill göra induktorer vid optiska frekvenser, "Fahkraai sa, "du behöver något som kan svara vid mycket höga frekvenser. Ju närmare vi kan göra nanopartiklarna, desto starkare kan vi göra spridningen av ljus på grund av magnetiska effekter."