Los investigadores de Sandia National Laboratories Igal Brener, Derecha, Sheng Liu, centrar, y Mike Sinclair en el laboratorio donde se trabajó para crear metamateriales sobre sustratos. Liu presenta una versión aquí. Crédito:por Randy Montoya
Los metamateriales no existen en la naturaleza, pero su capacidad para fabricar lentes ultrafinos y antenas de teléfonos móviles ultraeficientes, Doblar la luz para mantener los satélites más fríos y permitir que la energía fotovoltaica absorba más energía significa que ofrecen un mundo de posibilidades.
Formado por nanoestructuras que actúan como "átomos, "dispuestas sobre un sustrato para alterar la trayectoria de la luz de formas que ningún material ordinario puede lograr, estas sustancias sustitutas pueden manipular un haz de luz entrante para permitir la creación de versiones más eficientes de ubicuo, dispositivos valiosos:filtros ópticos, láseres convertidores de frecuencia y dispositivos que dirigen los haces, por ejemplo.
Pero el uso comercial extensivo de metamateriales se ha visto restringido por las limitaciones impuestas por los materiales que los componen. Los metamateriales a base de metales tienen "pérdidas" (pierden energía) en longitudes de onda más cortas y pueden funcionar de forma eficaz sólo a bajas frecuencias. como las frecuencias de radio utilizadas por el radar, antes de sentirse abrumado por su propia absorción. El silicio no emite luz y solo puede transmitirla en un rango de longitud de onda limitado debido a su estrecho rango de trabajo (banda prohibida). Por lo tanto, ninguna clase de material puede crear un metamaterial que opere en los rangos óptico e infrarrojo, donde se llevarían a cabo la mayoría de las aplicaciones militares y comerciales.
Los metamateriales ópticos entran en la arena
Los investigadores de Sandia National Laboratories están ayudando a abrir el camino hacia el uso de semiconductores III-V como bloques de construcción de metamateriales. (III-V se refiere a elementos en esas columnas en la tabla periódica). Los investigadores de Sandia han publicado artículos técnicos, incluyendo tres el año pasado, en trabajos con materiales como arseniuro de galio y arseniuro de aluminio, que son más eficientes que los metales para aplicaciones de metamateriales ópticos, con rangos de banda prohibida más amplios que el silicio. El trabajo es lo suficientemente prometedor como para haber aparecido en las portadas de dos revistas técnicas.
"Hay muy poco trabajo en todo el mundo sobre metamateriales totalmente dieléctricos que utilizan semiconductores III-V, "dijo el investigador de Sandia Igal Brener, quien dirige el trabajo de Sandia con los investigadores Mike Sinclair y Sheng Liu. "Nuestra ventaja es el amplio acceso de Sandia a la tecnología III-V, tanto en crecimiento como en procesamiento, para que podamos movernos bastante rápido ".
Más brillante que el oro
Los nuevos materiales dieléctricos Sandia, una especie de aislante eléctrico, ofrecen más que eficiencia. Pierden poca energía entrante e incluso se pueden fabricar en múltiples capas para formar complejos, metaátomos tridimensionales que reflejan más luz que las superficies doradas brillantes, generalmente considerado lo último en reflectividad infrarroja. Los materiales III-V también emiten fotones cuando se excitan, algo que el silicio, que puede reflejar, transmitir y absorber, no puedo hacer.
La metasuperficie de simetría rota de los resonadores cuboides muestra una onda de luz entrante espectralmente amplia. (El gráfico de la parte superior muestra un amplio espectro). Después de pasar por la metasuperficie, el haz se vuelve espectralmente estrecho debido a las agudas resonancias de la metasuperficie de simetría rota. (El gráfico de la parte inferior muestra un espectro estrecho). El patrón de remolino de flechas representa la distribución del campo eléctrico de la luz atrapada en los resonadores. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
Otra ventaja son sus salidas altamente variables, en todo el espectro de color, por lo que podrían usarse para extender el rango de longitud de onda de los láseres o para generar "fotones entrelazados" para la computación cuántica.
El enfoque de Sandia también es atractivo por su método relativamente simple de formar átomos artificiales, conocidos como resonadores, que son las entrañas del metamaterial.
Creado bajo la supervisión de Liu, los metaátomos tienen unos cientos de nanómetros de diámetro y están formados por muchos átomos reales. Una de las mejoras de Liu fue oxidar estos pequeños grupos alrededor de sus perímetros para crear recubrimientos en capas con un bajo índice de refracción. en lugar de utilizar uno más caro, proceso de unión "flip-chip" que requiere mucho tiempo. La complejidad de los métodos anteriores fue un obstáculo para la rentabilidad y la eficiencia del tiempo. Otros investigadores de Sandia habían utilizado una variante de su simplificación anteriormente para hacer láseres, pero no metamateriales, él dijo.
El oxidado La superficie de índice bajo rodea el núcleo de índice alto "como en invierno, tienes un abrigo que te rodea, "Dijo Liu." Para confinar la luz, necesita un contraste de índice de refracción alto ". Dicho de otra manera, la luz interior que choca contra la superficie de óxido de índice bajo es repelida por la diferencia de refracción de modo que viaja a lo largo del núcleo de índice alto.
El colega de Sandia de Liu, Gordon Keeler, logró una oxidación controlada simplemente colocando materiales III-V en un horno caliente y haciendo fluir vapor de agua sobre la muestra. "Se oxidará a cierta velocidad, "Dice Liu." Cuanto más material, cuanto más tarda ".
Los metaátomos artificiales se esculpen en su lugar durante un proceso litográfico que permite a los investigadores hacer cualquier patrón que elijan para la colocación de los componentes del metamaterial. "Usamos simulaciones para dirigirnos, "Dijo Liu. El espaciamiento está determinado hasta cierto punto por el tamaño de los átomos artificiales.
Las nanoestructuras cúbicas fracturadas almacenan cantidades inusualmente grandes de energía.
Los investigadores experimentaron con nanoestructuras cilíndricas y cúbicas, reduciendo la simetría de este último para lograr propiedades aún mejores.
Esta metasuperficie III-V de tres resonadores de espesor de resonadores cilíndricos ilustra tres usos posibles:el haz de luz izquierdo cambia de color a medida que pasa a través de las metasuperficies, lo que significa que se está produciendo una generación armónica no lineal que convierte el haz de luz a una longitud de onda más corta. El trazo azul en el medio muestra un tren de pulsos que atraviesa la superficie. Mientras pasan el ancho del pulso disminuye debido a la compresión del pulso, lo que requiere que la fase de la onda óptica transmitida varíe con la longitud de onda. Las metasuperficies multicapa pueden lograr la variación de fase correcta, algo que no es posible con las metasuperficies de una sola capa. El rayo de la derecha significa que estas metasuperficies pueden actuar como emisores de luz eficientes. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
"Los cilindros son mucho más fáciles de fabricar y, por lo general, se pueden usar para metasuperficies convencionales, "dijo Brener." Pero los cubos de simetría rota son cruciales para obtener resonancias muy nítidas. Ese es el tema clave del documento ".
La idea de reducir intencionalmente la simetría de una nanoestructura de resonador cúbico se originó hace cinco o seis años, dijo Sinclair, con un diseño fortuito que rompió la forma intencionalmente simétrica de los metaátomos cuando el equipo trató de imitar un defecto de fabricación en particular.
"Durante un Gran Desafío de Metamateriales de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio [LDRD], cuando estábamos fabricando resonadores cúbicos por primera vez en nuestro esfuerzo por ver si podíamos ir más allá de las microondas hacia metamateriales infrarrojos y ópticos, jugábamos con la forma de los resonadores para intentar simular el efecto de los errores de la litografía. En una simulación, por casualidad cortamos una esquina del cubo y de repente aparecieron bandas de reflexión muy nítidas, "Dijo Sinclair.
Antes de ese descubrimiento, Los metamateriales del resonador dieléctrico solo mostraban bandas anchas que no atrapaban mucha energía. Los investigadores encontraron que las nuevas resonancias nítidas permitían un mayor almacenamiento de energía, beneficioso para una conversión de frecuencia eficiente. y quizás incluso para emisión de luz y láser.
La exploración del resonador ondulado tuvo que esperar a un proyecto posterior, patrocinado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Salvatore Campione, basándose en trabajos anteriores de Lorena Basilio, Larry Warne y William Langston, todos de Sandia, utilizaron simulaciones electromagnéticas para desentrañar con precisión cómo los cubos atrapan la luz. Willie Luk de Sandia midió las propiedades reflectantes de los cubos. Otra subvención del LDRD apoya actualmente la investigación sobre el láser de metamateriales.
"Creemos que hemos creado una plataforma bastante flexible para muchos tipos diferentes de dispositivos, "Dijo Sinclair.
El trabajo en curso es ayudado por John Reno de Sandia, conocido a nivel nacional por cultivar estructuras cristalinas extremadamente precisas, quien contribuyó con las obleas III-V.
