Il campo dei metamateriali, un incrocio di scienza dei materiali, fisica, nanotecnologie e ingegneria elettrica, mira a produrre strutture con proprietà elettromagnetiche insolite. Attraverso l'attenta combinazione di più materiali in una precisa disposizione periodica, i metamateriali risultanti mostrano proprietà che altrimenti non potrebbero esistere, come un indice di rifrazione negativo. Alcuni metamateriali possono persino incanalare le onde elettromagnetiche attorno alle loro superfici, rendendoli invisibili per determinate lunghezze d'onda della luce.

La precisione necessaria per disporre le parti costitutive di un metamateriale, noto anche come inclusioni, è stato un passo impegnativo nel loro sviluppo e applicazione.

Ora, Gli ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno mostrato un modo per creare metamateriali con una singola inclusione, fornendo una fabbricazione più facile, tra le altre utili funzioni.

Analogo al "doping elettronico, " dove l'aggiunta di una piccola quantità di impurità atomiche a un materiale "puro" gli conferisce proprietà elettroniche necessarie per molti dispositivi di calcolo e di rilevamento, questo "doping fotonico" consentirebbe nuovi modi di scolpire e adattare le interazioni luce-materia, con impatto futuro sulla tecnologia ottica, come la fotonica flessibile.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Scienza , era guidata da Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey Professore di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, insieme ai membri del suo gruppo, Iñigo Liberale, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li e Brian Edwards.

"Proprio come nel doping elettronico, quando si aggiunge un insieme di atomi estranei in un materiale altrimenti puro può alterare significativamente le proprietà elettroniche e ottiche dell'ospite, "Engheta ha detto, "'doping fotonico' significa che l'aggiunta di un oggetto fotonico estraneo in una struttura ospite fotonica specializzata può modificare in modo sostanziale la diffusione ottica della struttura originale."

Il fenomeno funziona con una classe specifica di materiali che hanno permittività, un parametro che ha a che fare con la risposta elettrica del materiale, rappresentato matematicamente dalla lettera greca epsilon, che è quasi zero.

La qualità chiave di questi epsilon-near-zero, o ENZ, materiali è che il campo magnetico dell'onda è distribuito uniformemente in tutti gli host ENZ bidimensionali, indipendentemente dalla loro forma in sezione trasversale. Tali materiali ENZ si trovano in natura o possono essere realizzati con mezzi metamateriali tradizionali.

Piuttosto che progettare strutture periodiche complicate che alterano significativamente le proprietà ottiche e magnetiche di tali materiali, Engheta e il suo gruppo hanno ideato un modo per una singola inclusione in una struttura ENZ 2-D per svolgere lo stesso compito:cambiare le lunghezze d'onda della luce che rifletteranno o attraverseranno, o alterando la risposta magnetica della struttura

"Se voglio cambiare il modo in cui un materiale interagisce con la luce, Normalmente devo cambiare tutto, "Engheta ha detto, "Non qui. Se metto una singola barra dielettrica in un punto qualsiasi di questo materiale ENZ, l'intera struttura apparirà diversa dalla prospettiva di un'onda esterna."

L'asta dielettrica è una struttura cilindrica in materiale isolante polarizzabile. Quando inserito in un host ENZ 2-D, può influenzare il campo magnetico all'interno di questo host e di conseguenza può modificare notevolmente le proprietà ottiche del materiale ENZ host.

Poiché il campo magnetico dell'onda nell'host ENZ 2-D ha una distribuzione spaziale uniforme, l'asta dielettrica può essere posizionata ovunque all'interno del materiale. Le onde in arrivo si comportano quindi come se il materiale ospite avesse un insieme di proprietà ottiche significativamente diverso. Poiché l'asta non deve essere posizionata in una posizione precisa, la costruzione di tali strutture drogate fotonicamente può essere ottenuta con relativa facilità.

L'applicazione di questi concetti metamateriali tramite il "doping fotonico" ha implicazioni per i sistemi di elaborazione delle informazioni e le applicazioni all'interno delle telecomunicazioni.

"Quando lavoriamo con un'onda, questo drogaggio fotonico può essere un nuovo modo per noi di determinare il percorso che questa onda prende da A a B all'interno di un dispositivo, " Ha detto Engheta. "Con un cambiamento relativamente piccolo nella barra dielettrica, possiamo fare onde "andare da questa parte" e "non andare da quella parte". Che abbiamo solo bisogno di fare una modifica alla canna, che è una piccola parte del materiale ospite, dovrebbe aiutare con la velocità del dispositivo, e, perché l'effetto è lo stesso per l'host ENZ con forma arbitraria mantenendo fissa la sua area della sezione trasversale, questa proprietà può essere molto utile per la fotonica flessibile."

Ulteriori ricerche dimostrano modi più complicati di applicare il drogaggio fotonico ai materiali ENZ, come l'aggiunta di più aste con diametri diversi.

"La proprietà dielettrica dell'asta può essere sensibile al calore, modifiche ottiche o elettriche, " Disse Engheta. "Ciò significa che potremmo usare il materiale ENZ ospite come la lettura di un sensore, in quanto trasmetterebbe o rifletterebbe la luce a causa dei cambiamenti in quell'asta. L'aggiunta di più canne consentirebbe una messa a punto ancora più precisa della risposta del materiale".