Mentre il nuovo entusiasmante campo dei metamateriali avanza, Duke è diventato uno dei principali centri mondiali di questa ricerca. Fondata nel 2009, Il Centro di Duke per i metamateriali e la plasmonica integrata (CMIP) è cresciuto fino a comprendere dozzine di ricercatori dedicati all'esplorazione di materiali strutturati artificialmente.

Ciò che accomuna queste varie tecnologie di metamateriali è il controllo delle onde, dalle onde d'acqua intorno allo scafo di una nave, alle frequenze elettromagnetiche che alimentano le nostre comunicazioni, alle onde sonore misurate in metri. Data questa portata, i potenziali impatti di questo lavoro sono ancora fuori misura.

"Ci sono molti modi per controllare le onde, molti dei quali non sono stati pensati prima o davvero sfruttati, " ha affermato David R. Smith, che ha co-fondato il CMIP e ha aiutato a reclutare colleghi con idee simili alla Duke. "I metamateriali ci hanno fornito un modo per gestire le onde in un modo davvero senza precedenti".

Cercando di colmare "il divario di terahertz"

Professore di ingegneria elettrica e informatica Willie Padilla, che è venuto alla Duke nel 2014 dal Boston College, sta concentrando il suo lavoro sulla più piccola scala di lunghezze d'onda. La sua ricerca sui metamateriali è la più simile a quella di David R. Smith, con cui ha lavorato sui risonatori ad anello diviso originale all'UC San Diego 15 anni fa. Ma Padilla si concentra principalmente su frequenze terahertz che si trovano tra le microonde e gli infrarossi sullo spettro elettromagnetico.

Il regime dei terahertz è stato a lungo ignorato dalla scienza perché non si presta bene alla manipolazione. I dispositivi radio e microonde che abbiamo intorno a noi agiscono sugli elettroni. I dispositivi ottici e infrarossi funzionano sui fotoni. Ma poiché questi dispositivi cercano di manipolare fotoni o elettroni in frequenze più lontane dalle loro zone di comfort sullo spettro elettromagnetico, colpiscono un muro e smettono di comportarsi come richiesto. Tra le fette di frequenza preferite di entrambe queste particelle c'è l'intervallo di terahertz.

"C'è un divario fondamentale, o almeno carenza di tecnologia, nell'intervallo dei terahertz perché la nostra tecnologia esistente si basa su queste due particelle fondamentali (l'elettrone e il fotone), " dice Padilla. "Non puoi davvero colmare quella lacuna di terahertz di per sé, ma puoi trovare dei modi per aggirarlo."

Padilla dice che se possono essere dominati, Le onde terahertz hanno qualità che potrebbero essere utili. Possono penetrare negli indumenti asciutti, rendendoli una buona scelta per lo screening negli aeroporti. Potrebbero anche fornire una larghezza di banda molto maggiore per le comunicazioni, sebbene la loro incapacità di penetrare l'umidità nell'aria probabilmente li limiterà ad applicazioni inter-satellite nello spazio, non point-to-point su una Terra nuvolosa.

Padilla sta anche lavorando su metamateriali privi di metallo progettati per assorbire le onde elettromagnetiche piuttosto che focalizzarle o emetterle. Tali materiali potrebbero essere utili per la raccolta di energia o per rilevatori che potrebbero scansionare attivamente le perdite di metano o gas naturale, monitorare la salute di vasti campi coltivati ​​o selezionare rapidamente la plastica per il riciclaggio.

"Le termocamere a infrarossi sono limitate alla gamma degli infrarossi, " disse Padilla. "Con questi assorbitori di metamateriali, possiamo costruire termocamere in altre gamme dello spettro dove altrimenti sarebbe impossibile."

Intrappolare la luce in strutture nanoscopiche

La "P" nell'acronimo CMIP sta per plasmonica, che è la specialità di Maiken Mikkelsen, che si è unito alla Duke nel 2012. La plasmonica utilizza fenomeni fisici su nanoscala per intrappolare determinate frequenze di luce, provocando una serie di comportamenti interessanti.

Ciò si ottiene modellando cubi d'argento larghi appena un centinaio di nanometri e posizionandoli solo pochi nanometri sopra una sottile lamina d'oro. Quando la luce in arrivo colpisce la superficie di un nanocubo, eccita gli elettroni dell'argento, intrappolando l'energia della luce, ma solo a una certa frequenza.

La dimensione dei nanocubi d'argento e la loro distanza dallo strato di base dell'oro determina quella frequenza, mentre il controllo della distanza tra le nanoparticelle consente di regolare la forza dell'assorbimento. Adattando con precisione queste distanze, i ricercatori possono fare in modo che il sistema assorba o emetta qualsiasi frequenza di luce vogliano, dalle lunghezze d'onda visibili all'infrarosso.

La capacità di assorbire o emettere qualsiasi frequenza di luce in questi regni adattando le proprietà strutturali porta ad alcune idee interessanti per le applicazioni. Per esempio, Mikkelsen sta lavorando allo sviluppo della tecnologia in un nuovo modo di rilevare le immagini attraverso più spettri. Tali dispositivi di imaging possono identificare migliaia di piante e minerali, diagnosticare melanomi cancerosi e prevedere i modelli meteorologici, semplicemente dallo spettro di luce che riflettono.

Questa applicazione ha un vantaggio sulle attuali tecnologie di imaging che possono passare da uno spettro all'altro, in quanto costose e ingombranti perché richiedono numerosi filtri o complessi assemblaggi. E la necessità di movimento meccanico in tali dispositivi riduce la loro durata prevista e può essere una responsabilità in condizioni difficili, come quelli sperimentati dai satelliti.

"È difficile creare sensori in grado di rilevare sia lo spettro visibile che l'infrarosso, " ha detto Mikkelsen. "Tradizionalmente hai bisogno di materiali diversi che assorbono lunghezze d'onda diverse, e questo diventa ingombrante e costoso. Ma con la nostra tecnologia, le risposte dei rivelatori si basano sulle proprietà strutturali che progettiamo piuttosto che sulle proprietà naturali di un materiale. La cosa davvero eccitante è che possiamo abbinarlo a uno schema di fotorilevatore per combinare l'imaging sia nello spettro visibile che nell'infrarosso su un singolo chip".

La tecnica può essere utilizzata anche per la stampa. Invece di creare pixel con aree sintonizzate per rispondere a colori specifici, Mikkelsen e il suo team creano pixel con tre barre costituite da nanocubi d'argento che assorbono tre colori:blu, verde e rosso. Controllando le lunghezze relative di ciascuna barra, possono dettare quale combinazione di colori riflette il pixel. È una nuova versione del classico schema RGB utilizzato per la prima volta in fotografia nel 1861.

Ma a differenza della maggior parte delle altre applicazioni, lo schema di colori plasmonici promette di non sbiadire mai nel tempo e può essere riprodotto in modo affidabile con estrema precisione più e più volte. Consente inoltre ai suoi utilizzatori di creare combinazioni di colori nell'infrarosso.

"Ancora, la parte eccitante è poter stampare sia nel visibile che nell'infrarosso utilizzando gli stessi materiali, " ha detto Mikkelsen. "È piuttosto notevole come le proprietà di una struttura possano essere completamente alterate da piccoli cambiamenti nella disposizione mentre si utilizzano gli stessi blocchi di materiale".

Il piegamento suona come un ologramma

All'altro estremo delle lunghezze d'onda, ben al di fuori della scala elettromagnetica, Il membro del gruppo CMIP Steve Cummer ha escogitato modi per controllare il suono con i metamateriali.

"Facevo parte del team Duke che lavorava all'occultamento con John Pendry e David Smith, e una domanda naturale che è emersa da quel lavoro era, puoi fare gli stessi trucchi per controllare altri tipi di onde?" disse Cummer, che è un professore di ingegneria elettrica e informatica e continua a lavorare anche con metamateriali elettromagnetici.

"Le onde sonore erano una seconda scelta naturale da considerare, " dice Cummer. "Dopo sei mesi di vicoli ciechi, Alla fine ho trovato un approccio che ha funzionato e ha mostrato che puoi effettivamente controllare le onde sonore allo stesso modo, se riesci a creare le giuste proprietà del materiale."

Le giuste proprietà del materiale si sono rivelate essere la densità e la rigidità di compressione del fluido attraverso il quale si muove il suono. Cummer scoprì che, come con i metamateriali elettromagnetici, se creava strutture specifiche con materiali altrimenti insignificanti, poteva controllare come si muovevano le onde sonore.

Le strutture in plastica colorata che il suo team realizza con la stampa 3D assomigliano molto ai blocchi Lego che possono essere impilati e disposti in varie configurazioni per ottenere risultati diversi. Gli interni dei blocchi di plastica contengono spirali e altre forme che costringono le onde sonore a prendere percorsi di lunghezza variabile. Le diverse lunghezze di corsa nella struttura interna di ciascun blocco rallentano le parti di un'onda sonora fino a vari gradi, cambiando la forma dell'onda che emerge dall'altra parte di una serie di blocchi.

In uno studio proof-of-concept del 2016, Cummer e il suo team hanno costruito un muro di tali blocchi accuratamente adattati per scolpire un'onda sonora in un ologramma di forma arbitraria, un suono sagomato. Hanno scelto di creare la forma della lettera maiuscola A.

"La maggior parte delle persone ha familiarità con gli ologrammi fatti di luce, " ha detto Cummer. "Questo è un trucco generale che si può fare con tutti i tipi di onde. La chiave è come utilizzare una superficie piana per creare un complicato, campo d'onda tridimensionale. Abbiamo creato una struttura acustica metamateriale in cui il suono che emerge dall'altra parte è un campo sonoro molto più complicato. Mentre facevamo assumere all'onda sonora la forma della lettera A, potremmo essere in grado di fare qualcosa come imitare il complicato campo sonoro prodotto da un'orchestra dal vivo da un singolo altoparlante".

Altre aree di applicazione includono l'insonorizzazione o l'assorbimento acustico, dove strutture più compatte potrebbero assorbire solo i toni indesiderati, lasciando inalterato il resto. E se l'idea potesse essere ridimensionata a dimensioni ultrasoniche, la tecnica potrebbe consentire minori, più economico, dispositivi di imaging a ultrasuoni più efficienti dal punto di vista energetico.'

Onde di sperimentazione, viaggiando in ogni direzione

Altrove nel Centro per i metamateriali e la plasmonica integrata, i team stanno lavorando alla trasmissione di energia wireless, imaging a microonde per lo screening di sicurezza, rimozione della scia in navi oceaniche e altro ancora. Le loro esplorazioni spaziano dai calcoli teorici ai prototipi con potenziale commerciale.

E il gruppo continua a crescere. Nell'estate del 2018 Natalia Litchinitser si unirà al gruppo dell'Università di Buffalo. Lavorando anche nel campo della fotonica ottica, Litchinitser sta perseguendo progetti come la creazione di una lente metamateriale in grado di risolvere le caratteristiche cellulari più piccole della lunghezza d'onda della luce e la tecnologia di occultamento che funziona inviando la luce che ruota intorno a un lungo, oggetto sottile piuttosto che rimbalzare su di esso.

"È qualcosa che è iniziato come una ricerca molto scientifica, ricerca molto fondamentale, quasi filosofico, " ha detto Smith. Ma ora stanno emergendo aziende di metamateriali. "Il viaggio è stato spettacolare, " disse Smith. "Partendo da 'a cosa serve questo?' - chi lo sa, chi se ne frega—in davvero stravagante, idee folli, e ora nella raffinata commercializzazione effettiva delle idee.