La vista dall'alto mostra un'immagine al microscopio elettronico a scansione a emissione di campo di una porzione della nanostruttura di metamateriale fabbricata. Barra della scala:3000 nm. L'inserto mostra una cella unitaria ingrandita. Barra della scala:200 nm. Credito:Penn State
L'unione di teoria e pratica rende la banda larga, dispositivi ottici a bassa perdita pratici, ecco perché due gruppi di ingegneri della Penn State hanno collaborato per progettare metamateriali ottici con applicazioni personalizzate facilmente realizzabili.
I metamateriali sono materiali fabbricati che traggono le loro proprietà insolite dalla struttura piuttosto che solo dalla composizione, e possiedono proprietà esotiche che di solito non si trovano in natura. I metamateriali nanostrutturati appaiono diversi per segnali di frequenze diverse. sono dispersivi, in modo che se i ricercatori manipolassero questa dispersione di materiale, ottengono un controllo completo delle prestazioni del dispositivo su una banda di frequenze.
Nel passato, controllare l'ottica dei metamateriali, i ricercatori hanno utilizzato strutture complicate tra cui anelli e spirali tridimensionali che sono difficili se non impossibili da produrre in grandi numeri e piccole dimensioni a lunghezze d'onda ottiche. Dal punto di vista pratico, nanostrutture semplici e fabbricabili sono necessarie per creare dispositivi ad alte prestazioni.
"Dobbiamo progettare (nanostrutture che possono essere fabbricate, " disse Theresa S. Mayer, Illustre Professore di Ingegneria Elettrica e co-direttore del laboratorio di nanofabbricazione di Penn State.
Progettare materiali che possono consentire il passaggio di una gamma di lunghezze d'onda bloccando altre lunghezze d'onda è molto più difficile che creare semplicemente qualcosa che trasmetterà una singola frequenza. È necessario ridurre al minimo la distorsione nel dominio del tempo del segnale su una gamma di lunghezze d'onda, e anche il materiale deve essere a bassa perdita.
"Non vogliamo che il segnale cambi mentre passa attraverso il dispositivo, " ha detto Jeremy A. Bossard, borsista post-dottorato in ingegneria elettrica.
Una fotografia del film sottile del filtro metamateriale autoportante fabbricato montato su un telaio ottico. Credito:Penn State
La maggior parte di ciò che entra deve uscire con scarso assorbimento o distorsione della forma d'onda del segnale a causa della dispersione del metamateriale.
"Quello che facciamo è utilizzare approcci di ottimizzazione globale per mirare, su ampie larghezze di banda, le prestazioni ottiche e i vincoli di nanofabbricazione richiesti dai diversi problemi di progettazione, " ha detto Douglas H. Werner, John L. e Genevieve H. McCain Professore di cattedra di ingegneria elettrica. "La metodologia di progettazione unita all'approccio di fabbricazione è di fondamentale importanza".
Questa è una visione inclinata, Immagine di microscopia elettronica a scansione a emissione di campo della nanostruttura metamateriale fabbricata. Barra della scala:1000 nm. Credito:Penn State
Il team di progettazione ha esaminato i metamateriali strutturati a rete esistenti e ha applicato tecniche di ottimizzazione ispirate alla natura basate su algoritmi genetici. Hanno ottimizzato le dimensioni di caratteristiche come la dimensione della rete e gli spessori dei materiali. Una delle innovazioni trasformative apportate dai ricercatori è stata l'inclusione di nanotacche negli angoli dei fori delle reti da pesca, creando un modello che potrebbe essere sintonizzato per modellare la dispersione su ampie larghezze di banda. Hanno riportato il loro approccio nel numero online di oggi (28 marzo) di Rapporti scientifici .
"Abbiamo introdotto nanotacche negli angoli dei fori per l'aria per dare molta più flessibilità per controllare in modo indipendente le proprietà di permittività e permeabilità su una banda larga, " ha detto Werner. "La rete a rete convenzionale non ha molta flessibilità, ma è facile da fabbricare."
La permittività misura la facilità o la difficoltà di indurre un campo elettrico in un materiale, mentre la permeabilità misura la facilità o la difficoltà di indurre un campo magnetico. Teoricamente, la manipolazione della permittività e della permeabilità consente la sintonizzazione del metamateriale su una gamma di lunghezze d'onda e crea l'indice di rifrazione e impedenza desiderati.
La teoria può fornire una soluzione, ma questa soluzione può diventare realtà? Il team di fabbricazione ha posto dei vincoli alla progettazione per garantire che il materiale potesse essere prodotto utilizzando la litografia a fascio di elettroni e l'incisione con ioni reattivi. Il materiale iniziale era un sandwich a tre strati d'oro, poliimmide e oro su silicio ossidato. Quando la maschera al biossido di silicio e la resistenza del fascio di elettroni vengono rimosse, ai ricercatori è stato lasciato un metamateriale ottico con le proprietà desiderate.
In questo caso hanno creato un filtro passa banda, ma gli stessi principi possono essere applicati a molti dispositivi ottici utilizzati nei sistemi di comunicazione ottica, medicinale, test e caratterizzazione o anche scansione del fascio ottico se il metamateriale è sagomato per formare un prisma.
Un altro uso di questo metamateriale potrebbe essere in combinazione con materiali naturali che non hanno le proprietà desiderate per una specifica applicazione ottica.
"Tutti i materiali hanno una dispersione naturale, " ha detto Mayer. "Potremmo voler rivestire un materiale naturale in alcune regioni per compensare la dispersione."
Secondo Werner, attualmente l'unico modo per compensare è trovare un altro materiale naturale che funzioni. Solo raramente esiste un materiale del genere.
