Gli ingegneri elettrici della Duke University hanno creato il primo metamateriale elettromagnetico al mondo realizzato senza alcun metallo. La capacità del dispositivo di assorbire l'energia elettromagnetica senza surriscaldarsi ha applicazioni dirette nell'imaging, rilevamento e illuminazione.

I metamateriali sono materiali sintetici composti da molti individui, caratteristiche ingegnerizzate che insieme producono proprietà non presenti in natura. Immagina un'onda elettromagnetica che si muove attraverso una superficie piana composta da migliaia di minuscole celle elettriche. Se i ricercatori possono sintonizzare ogni cellula per manipolare l'onda in un modo specifico, possono dettare esattamente come si comporta l'onda nel suo insieme.

Affinché i ricercatori possano manipolare le onde elettromagnetiche, però, in genere hanno dovuto utilizzare metalli conduttori di elettricità. quell'approccio, però, porta con sé un problema fondamentale dei metalli:maggiore è la conduttività elettrica, meglio il materiale conduce anche il calore. Ciò limita la loro utilità nelle applicazioni dipendenti dalla temperatura.

In un nuovo documento, gli ingegneri elettrici della Duke University dimostrano il primo metamateriale elettromagnetico completamente dielettrico (non metallico), una superficie increspata con cilindri come la faccia di un mattoncino Lego progettata per assorbire onde terahertz. Mentre questa specifica gamma di frequenze si trova tra le onde infrarosse e le microonde, l'approccio dovrebbe essere applicabile a quasi tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico.

I risultati sono apparsi online il 9 gennaio sulla rivista Ottica Express .

"Le persone hanno già creato questo tipo di dispositivi, ma i precedenti tentativi con i dielettrici sono sempre stati accoppiati con almeno un po' di metallo, " disse Willie Padilla, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke University. "Dobbiamo ancora ottimizzare la tecnologia, ma il percorso verso diverse applicazioni è molto più semplice rispetto agli approcci basati sul metallo."

Padilla e i suoi colleghi hanno creato il loro metamateriale con silicio drogato con boro, un non metallo. Utilizzando simulazioni al computer, hanno calcolato come le onde terahertz avrebbero interagito con cilindri di diverse altezze e larghezze.

I ricercatori hanno quindi prodotto un prototipo costituito da centinaia di questi cilindri ottimizzati allineati in file su una superficie piana. I test fisici hanno mostrato che la nuova "metasuperficie" ha assorbito il 97,5% dell'energia prodotta dalle onde a 1.011 terahertz.

L'assorbimento efficiente dell'energia dalle onde elettromagnetiche è una proprietà importante per molte applicazioni. Per esempio, i dispositivi di imaging termico possono operare nell'intervallo terahertz, ma poiché in precedenza hanno incluso almeno un po' di metallo, ottenere immagini nitide è stato impegnativo.

"Il calore si propaga velocemente nei metalli, che è problematico per le termocamere, " disse Xinyu Liu, uno studente di dottorato nel laboratorio di Padilla e primo autore dell'articolo. "Ci sono trucchi per isolare il metallo durante la fabbricazione, ma ciò diventa ingombrante e costoso."

Un'altra potenziale applicazione per la nuova tecnologia è l'illuminazione efficiente. Le lampadine a incandescenza fanno luce ma creano anche una notevole quantità di calore disperso. Devono funzionare ad alte temperature per produrre luce, molto più alta del punto di fusione della maggior parte dei metalli.

"Possiamo produrre una metasuperficie dielettrica progettata per emettere luce, senza produrre calore disperso, "Ha detto Padilla. "Anche se siamo già stati in grado di farlo con metamateriali a base di metallo, è necessario operare ad alta temperatura affinché il tutto funzioni. I materiali dielettrici hanno punti di fusione molto più alti dei metalli, e ora stiamo cercando rapidamente di trasferire questa tecnologia nell'infrarosso per dimostrare un sistema di illuminazione".