Igal Brener, ricercatore dei Laboratori Nazionali Sandia, Giusto, Sheng Liu, centro, e Mike Sinclair stanno nel laboratorio dove è stato svolto il lavoro per creare metamateriali su substrati. Liu presenta qui una versione. Credito:di Randy Montoya
I metamateriali non esistono in natura, ma la loro capacità di realizzare lenti ultrasottili e antenne per cellulari ultra efficienti, piegare la luce per mantenere i satelliti più freschi e lasciare che il fotovoltaico assorba più energia significa che offrono un mondo di possibilità.
Formata da nanostrutture che fungono da "atomi, " disposto su un substrato per alterare il percorso della luce in modi che nessun materiale ordinario può raggiungere, queste sostanze sostitutive possono manipolare un raggio di luce in entrata per consentire la creazione di versioni più efficienti di ubiquitari, dispositivi di valore:filtri ottici, laser, convertitori di frequenza e dispositivi che guidano i raggi, Per esempio.
Ma l'ampio uso commerciale dei metamateriali è stato limitato dalle limitazioni imposte dai materiali che li compongono. I metamateriali a base di metallo sono "con perdita" (perdono energia) a lunghezze d'onda più corte e possono funzionare efficacemente solo a basse frequenze, come le frequenze radio utilizzate dai radar, prima di essere sopraffatti dal loro stesso assorbimento. Il silicio non emette luce e può trasmetterla solo in un intervallo di lunghezze d'onda limitato a causa del suo ristretto intervallo di lavoro (bandgap). Quindi nessuna classe di materiale può creare un metamateriale che opererà nelle gamme dell'infrarosso e dell'ottica, dove avrebbero avuto luogo la maggior parte delle applicazioni militari e commerciali.
I metamateriali ottici entrano nell'arena
I ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno aprendo la strada all'uso dei semiconduttori III-V come elementi costitutivi dei metamateriali. (III-V si riferisce agli elementi in quelle colonne nella tavola periodica.) I ricercatori di Sandia hanno pubblicato articoli tecnici, di cui tre nell'ultimo anno, su lavori con materiali come arseniuro di gallio e arseniuro di alluminio, che sono più efficienti dei metalli per applicazioni di metamateriali ottici, con intervalli di bandgap più ampi rispetto al silicio. Il lavoro è abbastanza promettente da essere apparso sulle copertine di due riviste tecniche.
"C'è pochissimo lavoro in tutto il mondo su metamateriali completamente dielettrici che utilizzano semiconduttori III-V, " ha detto il ricercatore di Sandia Igal Brener, che guida il lavoro di Sandia con i ricercatori Mike Sinclair e Sheng Liu. "Il nostro vantaggio è l'ampio accesso di Sandia alla tecnologia III-V, sia nella crescita che nella trasformazione, quindi possiamo muoverci abbastanza velocemente."
Più brillante dell'oro
I nuovi materiali dielettrici Sandia, una sorta di isolante elettrico, offrono più della semplice efficienza. Perdono poca energia in entrata e possono anche essere fabbricati in più strati per formare complessi, meta-atomi tridimensionali che riflettono più luce delle lucide superfici dorate, generalmente considerato il massimo in termini di riflettività a infrarossi. I materiali III-V emettono anche fotoni quando eccitati, qualcosa che il silicio, che può riflettere, trasmettere e assorbire, non si può.
La metasuperficie a simmetria rotta dei risonatori cuboidi mostra un'onda luminosa in arrivo spettralmente ampia. (Il grafico in alto mostra un ampio spettro.) Dopo aver attraversato la metasuperficie, il raggio diventa spettralmente stretto a causa delle forti risonanze della metasuperficie di simmetria rotta. (Il grafico in basso mostra uno spettro ristretto.) Il modello vorticoso delle frecce rappresenta la distribuzione del campo elettrico della luce intrappolata nei risonatori. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
Un altro vantaggio sono le loro uscite altamente variabili, attraverso lo spettro dei colori in modo che possano essere utilizzati per estendere la gamma di lunghezze d'onda dei laser o per generare "fotoni entangled" per il calcolo quantistico.
L'approccio di Sandia è interessante anche per il suo metodo relativamente semplice di formare gli atomi artificiali, noti come risonatori, che sono le viscere del metamateriale.
Creato sotto la supervisione di Liu, i meta-atomi hanno un diametro di poche centinaia di nanometri e sono formati da molti atomi reali. Uno dei miglioramenti di Liu è stato quello di ossidare questi minuscoli raggruppamenti attorno ai loro perimetri per creare rivestimenti stratificati con un basso indice di rifrazione, piuttosto che usare un più costoso, processo di incollaggio "flip-chip" che richiede tempo. La complessità dei metodi precedenti era un ostacolo all'efficienza in termini di costi e tempo. Altri ricercatori di Sandia avevano usato in precedenza una variante della sua semplificazione per realizzare laser, ma non metamateriali, Egli ha detto.
L'ossidato, la superficie a basso indice circonda il nucleo ad alto indice "come in inverno, hai un cappotto che ti circonda, " Liu ha detto. "Per limitare la luce, hai bisogno di un alto contrasto dell'indice di rifrazione." In altre parole, la luce interna che colpisce la superficie di ossido a basso indice viene respinta dalla differenza di rifrazione in modo che viaggi lungo il nucleo ad alto indice.
Il collega di Liu Sandia, Gordon Keeler, ha ottenuto un'ossidazione controllata semplicemente mettendo i materiali III-V in un forno caldo e facendo scorrere vapore acqueo sul campione. "Si ossiderà a una certa velocità, " Liu dice. "Più materiale, più tempo ci vuole."
I meta-atomi artificiali sono scolpiti sul posto durante un processo litografico che consente ai ricercatori di creare qualsiasi modello scelto per il posizionamento dei componenti metamateriali. "Usiamo simulazioni per dirigerci, " ha detto Liu. La spaziatura è determinata in una certa misura dalla dimensione degli atomi artificiali.
Le nanostrutture cubiche fratturate immagazzinano quantità insolitamente grandi di energia
I ricercatori hanno sperimentato nanostrutture cilindriche e cubiche, riducendo la simmetria di quest'ultimo per ottenere proprietà ancora migliori.
Questa metasuperficie III-V spessa tre risonatori di risonatori cilindrici illustra tre possibili usi:il raggio di luce sinistro cambia colore mentre passa attraverso le metasuperfici, significa che sta avvenendo una generazione armonica non lineare che converte il raggio di luce in una lunghezza d'onda più corta. La traccia blu al centro mostra un treno di impulsi che passa attraverso la superficie. Mentre passano, l'ampiezza dell'impulso diminuisce a causa della compressione dell'impulso, che richiede che la fase dell'onda ottica trasmessa vari con la lunghezza d'onda. Le metasuperfici multistrato sono in grado di ottenere la variazione di fase corretta, cosa non possibile con le metasuperfici a strato singolo. Il raggio a destra indica che queste metasuperfici possono agire come efficienti emettitori di luce. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
"I cilindri sono molto più facili da fabbricare e in genere possono essere utilizzati per metasuperfici convenzionali, " disse Brener. "Ma i cubi a simmetria spezzata sono cruciali per ottenere risonanze molto nitide. Questo è il tema chiave del giornale".
L'idea di ridurre intenzionalmente la simmetria di una nanostruttura di risonatore cubico è nata cinque o sei anni fa, disse Sinclair, con un design fortuito che ha rotto la forma intenzionalmente simmetrica dei meta-atomi quando il team ha cercato di imitare un particolare difetto di fabbricazione.
"Durante un laboratorio di ricerca e sviluppo diretto [LDRD] Metamaterials Grand Challenge, quando stavamo fabbricando per la prima volta risonatori cubici nel nostro sforzo di vedere se potevamo andare oltre le microonde nei metamateriali ottici e infrarossi, stavamo giocando con la forma dei risonatori per cercare di simulare l'effetto degli errori di litografia. In una simulazione, ci è capitato di tagliare un angolo del cubo e all'improvviso sono apparse bande di riflessione molto nitide, " ha detto Sinclair.
Prima di quella scoperta, i metamateriali del risonatore dielettrico hanno mostrato solo bande larghe che non intrappolavano molta energia. I ricercatori hanno scoperto che le nuove risonanze acute hanno consentito un maggiore accumulo di energia, vantaggioso per un'efficiente conversione di frequenza, e forse anche per emissione di luce e laser.
L'esplorazione del risonatore crimpato ha dovuto attendere un progetto successivo, patrocinato dall'Ufficio di Scienze del Dipartimento di Energia. Salvatore Campione, basandosi su precedenti lavori di Lorena Basilio, Larry Warne e William Langston, tutti di Sandia, hanno utilizzato simulazioni elettromagnetiche per svelare con precisione come i cubi intrappolano la luce. Willie Luk di Sandia ha misurato le proprietà riflettenti dei cubi. Un'altra sovvenzione LDRD attualmente supporta la ricerca sul laser metamateriale.
"Riteniamo di aver creato una piattaforma piuttosto flessibile per molti tipi diversi di dispositivi, " ha detto Sinclair.
Il lavoro in corso è aiutato da John Reno di Sandia, noto a livello nazionale per la crescita di strutture cristalline estremamente precise, che ha contribuito alle cialde III-V.
