El campo de los metamateriales, una intersección de la ciencia de los materiales, física, nanotecnología e ingeniería eléctrica, tiene como objetivo producir estructuras con propiedades electromagnéticas inusuales. A través de la combinación cuidadosa de múltiples materiales en una disposición periódica precisa, los metamateriales resultantes exhiben propiedades que de otra manera no podrían existir, como un índice de refracción negativo. Algunos metamateriales pueden incluso canalizar ondas electromagnéticas alrededor de sus superficies, haciéndolos invisibles para ciertas longitudes de onda de luz.

La precisión necesaria para organizar las partes constitutivas de un metamaterial, también conocidas como inclusiones, ha sido un paso desafiante en su desarrollo y aplicación.

Ahora, Los ingenieros de la Universidad de Pensilvania han mostrado una forma de hacer metamateriales con una sola inclusión, proporcionando una fabricación más fácil, entre otras funciones útiles.

Análogo al dopaje electrónico, "donde agregar una pequeña cantidad de impurezas atómicas a un material" puro "le otorga las propiedades electrónicas necesarias para muchos dispositivos computacionales y de detección, este "dopaje fotónico" permitiría nuevas formas de esculpir y adaptar las interacciones luz-materia, con impacto futuro en la tecnología óptica, como la fotónica flexible.

El estudio, publicado en la revista Ciencias , fue dirigido por Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey Profesor de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, junto con miembros de su grupo, Iñigo Liberal, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li y Brian Edwards.

"Al igual que en el dopaje electrónico, cuando la adición de un conjunto de átomos extraños en un material por lo demás puro puede alterar significativamente las propiedades electrónicas y ópticas del anfitrión, "Engheta dijo, "'dopaje fotónico' significa que la adición de un objeto fotónico extraño en una estructura hospedadora fotónica especializada puede cambiar la dispersión óptica de la estructura original de manera importante".

El fenómeno trabaja con una clase específica de materiales que tienen permitividad, un parámetro que tiene que ver con la respuesta eléctrica del material, representado matemáticamente por la letra griega épsilon, eso es casi cero.

La calidad clave de estos épsilon-near-zero, o ENZ, materiales es que el campo magnético de la onda se distribuye uniformemente a lo largo de los hosts ENZ bidimensionales, independientemente de su forma transversal. Dichos materiales ENZ se producen de forma natural o se pueden fabricar mediante medios metamateriales tradicionales.

En lugar de diseñar complicadas estructuras periódicas que alteren significativamente las propiedades ópticas y magnéticas de dichos materiales, Engheta y su grupo idearon una forma para una única inclusión en una estructura ENZ 2-D para lograr la misma tarea:cambiar qué longitudes de onda de luz se reflejarán o atravesarán, o alterando la respuesta magnética de la estructura

"Si quiero cambiar la forma en que una pieza de material interactúa con la luz, Normalmente tengo que cambiarlo todo, "Engheta dijo, "Aquí no. Si coloco una sola varilla dieléctrica en cualquier lugar dentro de este material ENZ, toda la estructura se verá diferente desde la perspectiva de una onda externa ".

La varilla dieléctrica es una estructura cilíndrica hecha de un material aislante que se puede polarizar. Cuando se inserta en un host ENZ 2-D, puede afectar el campo magnético dentro de este host y, en consecuencia, puede cambiar notablemente las propiedades ópticas del material ENZ del host.

Debido a que el campo magnético de la onda en el host 2-D ENZ tiene una distribución espacial uniforme, la varilla dieléctrica se puede colocar en cualquier lugar dentro del material. Por tanto, las ondas entrantes se comportan como si el material anfitrión tuviera un conjunto de propiedades ópticas significativamente diferente. Dado que no es necesario colocar la varilla en un lugar preciso, La construcción de tales estructuras dopadas fotónicamente se puede lograr con relativa facilidad.

La aplicación de estos conceptos de metamateriales a través del "dopaje fotónico" tiene implicaciones para los sistemas de procesamiento de información y las aplicaciones dentro de las telecomunicaciones.

"Cuando trabajamos con una ola, este dopaje fotónico puede ser una nueva forma de determinar el camino que toma esta onda de A a B dentro de un dispositivo, ", Dijo Engheta." Con un cambio relativamente pequeño en la varilla dieléctrica, podemos hacer que las olas "vayan por este camino" y "no vayan por ese camino". Que solo necesitamos hacer un cambio en la varilla, que es una pequeña parte del material huésped, debería ayudar con la velocidad del dispositivo, y, debido a que el efecto es el mismo para el host ENZ con forma arbitraria mientras mantiene fija su área de sección transversal, esta propiedad puede ser muy útil para fotónica flexible ".

La investigación adicional demuestra formas más complicadas de aplicar el dopaje fotónico a los materiales ENZ, como agregar múltiples varillas con diferentes diámetros.

"La propiedad dieléctrica de la varilla puede responder a la temperatura, cambios ópticos o eléctricos, "Dijo Engheta." Eso significa que podríamos usar el material ENZ del host como la lectura de un sensor, ya que transmitiría o reflejaría la luz debido a cambios en esa varilla. Agregar más varillas permitiría un ajuste aún más fino de la respuesta del material ".