I ricercatori della Duke University hanno costruito il primo metal free, metamateriale dinamicamente sintonizzabile per il controllo delle onde elettromagnetiche. L'approccio potrebbe costituire la base per tecnologie che vanno da scanner di sicurezza migliorati a nuovi tipi di display visivi.

I risultati compaiono il 9 aprile sulla rivista Materiale avanzato .

Un metamateriale è un materiale artificiale che manipola le onde come la luce e il suono attraverso le proprietà della sua struttura piuttosto che la sua chimica. I ricercatori possono progettare questi materiali per avere proprietà rare o innaturali, come la capacità di assorbire intervalli specifici dello spettro elettromagnetico o di piegare la luce all'indietro.

"Questi materiali sono costituiti da una griglia di unità separate che possono essere sintonizzate individualmente, " disse Willie Padilla, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Quando un'onda attraversa la superficie, il metamateriale può controllare l'ampiezza e la fase in ogni posizione nella griglia, che ci permette di manipolare l'onda in molti modi diversi."

Nella nuova tecnologia, ogni posizione della griglia contiene un minuscolo cilindro di silicio alto solo 50 micron e largo 120 micron, con i cilindri distanziati di 170 micron l'uno dall'altro. Sebbene il silicio non sia normalmente un materiale conduttivo, i ricercatori bombardano i cilindri con una specifica frequenza di luce in un processo chiamato fotodoping. Ciò conferisce al materiale tipicamente isolante proprietà metalliche eccitando gli elettroni sulle superfici dei cilindri.

Questi elettroni appena liberati fanno interagire i cilindri con le onde elettromagnetiche che li attraversano. La dimensione dei cilindri determina con quali frequenze di luce possono interagire, mentre l'angolo del fotodoping influenza il modo in cui manipolano le onde elettromagnetiche. Progettando intenzionalmente questi dettagli, il metamateriale può controllare le onde elettromagnetiche in molti modi diversi.

Per questo studio, i cilindri sono stati dimensionati per interagire con onde terahertz, una banda dello spettro elettromagnetico che si trova tra le microonde e la luce infrarossa. Il controllo di questa lunghezza d'onda della luce potrebbe migliorare le comunicazioni a banda larga tra i satelliti o portare a una tecnologia di sicurezza che può facilmente scansionare attraverso i vestiti. L'approccio potrebbe anche essere adattato ad altre bande dello spettro elettromagnetico, come l'infrarosso o la luce visibile, semplicemente ridimensionando le dimensioni dei cilindri.

"Stiamo dimostrando un nuovo campo in cui possiamo controllare dinamicamente ogni punto della metasuperficie regolando il modo in cui vengono fotodopati, " Padilla ha detto. "Possiamo creare qualsiasi tipo di modello che vogliamo, permettendoci di creare obiettivi o dispositivi di orientamento del raggio, Per esempio. E poiché sono controllati da raggi di luce, possono cambiare molto velocemente con pochissima potenza."

Mentre i metamateriali esistenti controllano le onde elettromagnetiche attraverso le loro proprietà elettriche, la nuova tecnologia può anche manipolarli attraverso le loro proprietà magnetiche.

"Ciò consente a ciascun cilindro non solo di influenzare l'onda in arrivo, ma l'interazione tra cilindri vicini, " ha detto Kebin Fan, un ricercatore nel laboratorio di Padilla e primo autore dell'articolo. "Questo conferisce al metamateriale molta più versatilità, come la capacità di controllare le onde che viaggiano attraverso la superficie del metamateriale piuttosto che attraverso di essa."

"Siamo più interessati alla dimostrazione di base della fisica alla base di questa tecnologia, ma ha alcune caratteristiche salienti che lo rendono attraente per i dispositivi, " ha detto Padilla.

"Perché non è fatto di metallo, non si scioglierà, che può essere un problema per alcune applicazioni, " ha detto. "Ha il controllo della lunghezza d'onda inferiore, che ti dà più libertà e versatilità. È anche possibile riconfigurare il modo in cui il metamateriale influenza le onde in arrivo in modo estremamente rapido, che ha il nostro gruppo in programma di esplorare l'utilizzo per l'olografia dinamica."