Due ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno proposto la possibilità di metamateriali bidimensionali. Questi metamateriali dello spessore di un atomo potrebbero essere ottenuti controllando la conduttività di fogli di grafene, che è un singolo strato di atomi di carbonio.
Il professor Nader Engheta e lo studente laureato Ashkan Vakil, entrambi del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi della Penn's School of Engineering and Applied Science, hanno pubblicato la loro ricerca teorica sulla rivista Scienza .
Lo studio dei metamateriali è un campo interdisciplinare della scienza e dell'ingegneria che è cresciuto notevolmente negli ultimi anni. Si basa sull'idea che i materiali possono essere progettati in modo che le loro qualità complessive dell'onda si basino non solo sul materiale di cui sono fatti, ma anche sul modello, forma e dimensione delle irregolarità, noto come "inclusioni, " o "meta-molecole" che sono incorporate all'interno del supporto host.
"Progettando le proprietà delle inclusioni, così come le loro forme e densità, ottieni nella proprietà in blocco qualcosa che potrebbe essere insolito e non facilmente disponibile in natura, " disse Engheta.
Queste proprietà insolite hanno generalmente a che fare con la manipolazione delle onde elettromagnetiche (EM) o acustiche; in questo caso, sono le onde EM nello spettro infrarosso
Cambiando la forma, la velocità e la direzione di questo tipo di onde è un sottocampo dei metamateriali noto come "ottica di trasformazione" e può trovare applicazioni in tutto, dalle telecomunicazioni all'imaging all'elaborazione del segnale.
La ricerca di Engheta e Vakil mostra come l'ottica di trasformazione potrebbe ora essere ottenuta utilizzando il grafene, un reticolo di carbonio dello spessore di un singolo atomo.
Ricercatori, compresi molti a Penn, hanno dedicato notevoli sforzi allo sviluppo di nuovi modi per produrre e manipolare il grafene, poiché la sua conduttività senza precedenti avrebbe molte applicazioni nel campo dell'elettronica. L'interesse di Engheta e Vakil per il grafene, però, è dovuto alla sua capacità di trasportare e guidare le onde elettromagnetiche oltre alle cariche elettriche e al fatto che la sua conduttività può essere facilmente alterata.
Applicando una tensione continua a un foglio di grafene, per mezzo di una piastra a terra che corre parallela al telo, cambia il modo in cui il grafene è conduttivo rispetto alle onde EM. Variando la tensione o la distanza tra la piastra di massa e il grafene altera la conduttività, "proprio come accordare una manopola, " disse Engheta.
"Ciò consente di modificare la conduttività di diversi segmenti di un singolo foglio di grafene in modo diverso l'uno dall'altro, " disse. E se puoi farlo, puoi navigare e manipolare un'onda con quei segmenti. In altre parole, puoi fare l'ottica di trasformazione usando il grafene."
In questo matrimonio tra grafene e metamateriali, le diverse regioni di conducibilità sul piano effettivamente bidimensionale, foglio di un atomo di spessore come le inclusioni fisiche presenti nelle versioni tridimensionali.
Gli esempi che Engheta e Vakil hanno dimostrato con modelli al computer includono un foglio di grafene con due aree che hanno conducibilità diverse, uno che può sostenere un'onda, e uno che non può. Il confine tra le due aree funge da muro, in grado di riflettere un'onda EM guidata sul grafene proprio come si farebbe in uno spazio tridimensionale.
Un altro esempio riguarda tre regioni, uno che può sostenere un'onda circondata da due che non possono. Questo produce una "guida d'onda, " che funziona come un cavo in fibra ottica dello spessore di un atomo. Un terzo esempio si basa sulla guida d'onda, aggiungendo un'altra regione non di supporto per dividere la guida d'onda in due.
"Possiamo "domare" l'onda in modo che si muova e si pieghi come vogliamo, " Ha detto Engheta. "Piuttosto che giocare con il confine tra due media, stiamo pensando ai cambiamenti di conduttività su un singolo foglio di grafene".
Altre applicazioni includono il lensing e la capacità di eseguire trasformate di Fourier "piatte", un aspetto fondamentale dell'elaborazione del segnale che si trova in quasi tutti i dispositivi tecnologici con componenti audio o video.
"Questo aprirà la strada ai dispositivi ottici più sottili che si possano immaginare, " Disse Engheta. "Non puoi avere niente di più sottile di un atomo!"
