Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han creado el primer metamaterial electromagnético del mundo fabricado sin metal. La capacidad del dispositivo para absorber energía electromagnética sin calentarse tiene aplicaciones directas en imágenes, detección e iluminación.

Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos por muchos individuos, características diseñadas que juntas producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Imagine una onda electromagnética que se mueve a través de una superficie plana formada por miles de diminutas células eléctricas. Si los investigadores pueden sintonizar cada celda para manipular la onda de una manera específica, pueden dictar exactamente cómo se comporta la onda en su conjunto.

Para que los investigadores manipulen ondas electromagnéticas, sin embargo, normalmente han tenido que utilizar metales conductores de electricidad. Ese enfoque, sin embargo, trae consigo un problema fundamental de los metales:cuanto mayor es la conductividad eléctrica, mejor el material también conduce el calor. Esto limita su utilidad en aplicaciones dependientes de la temperatura.

En un nuevo periódico Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke demuestran el primer metamaterial electromagnético completamente dieléctrico (no metálico):una superficie con hoyuelos como la cara de un ladrillo Lego que está diseñada para absorber ondas de terahercios. Si bien este rango de frecuencia específico se encuentra entre las ondas infrarrojas y las microondas, el enfoque debería ser aplicable a casi cualquier frecuencia del espectro electromagnético.

Los resultados aparecieron en línea el 9 de enero en la revista. Óptica Express .

"La gente ha creado este tipo de dispositivos antes, pero los intentos anteriores con dieléctricos siempre se han combinado con al menos algo de metal, "dijo Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke. "Aún necesitamos optimizar la tecnología, pero el camino a seguir hacia varias aplicaciones es mucho más fácil que con los enfoques basados ​​en metales ".

Padilla y sus colegas crearon su metamaterial con silicio dopado con boro, un no metal. Usando simulaciones por computadora, calcularon cómo las ondas de terahercios interactuarían con cilindros de diferentes alturas y anchos.

Luego, los investigadores fabricaron un prototipo que constaba de cientos de estos cilindros optimizados alineados en filas sobre una superficie plana. Las pruebas físicas mostraron que la nueva "metasuperficie" absorbió el 97,5 por ciento de la energía producida por las ondas a 1,011 terahercios.

La absorción eficiente de la energía de las ondas electromagnéticas es una propiedad importante para muchas aplicaciones. Por ejemplo, Los dispositivos de imágenes térmicas pueden funcionar en el rango de terahercios, pero debido a que previamente han incluido al menos algo de metal, obtener imágenes nítidas ha sido un desafío.

"El calor se propaga rápidamente en los metales, que es problemático para las cámaras termográficas, "dijo Xinyu Liu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Padilla y primer autor del artículo. "Hay trucos para aislar el metal durante la fabricación, pero eso se vuelve engorroso y costoso ".

Otra aplicación potencial de la nueva tecnología es la iluminación eficiente. Las bombillas incandescentes producen luz pero también generan una cantidad significativa de calor desperdiciado. Deben operar a altas temperaturas para producir luz, mucho más alta que el punto de fusión de la mayoría de los metales.

"Podemos producir una metasuperficie dieléctrica diseñada para emitir luz, sin producir calor residual, ", Dijo Padilla." Aunque ya hemos podido hacer esto con metamateriales basados ​​en metales, necesita operar a alta temperatura para que todo funcione. Los materiales dieléctricos tienen puntos de fusión mucho más altos que los metales, y ahora estamos tratando rápidamente de trasladar esta tecnología al infrarrojo para demostrar un sistema de iluminación ".