A medida que avanza el apasionante nuevo campo de los metamateriales, Duke se ha convertido en uno de los principales centros de investigación del mundo. Fundada en 2009, El Centro de Metamateriales y Plasmónica Integrada de Duke (CMIP) ha crecido hasta abarcar a decenas de investigadores dedicados a explorar materiales estructurados artificialmente.

Lo que estas diversas tecnologías de metamateriales tienen en común es el control de ondas, de las olas de agua alrededor del casco de un barco, a las frecuencias electromagnéticas que alimentan nuestras comunicaciones, a ondas sonoras que se miden en metros. Dado este alcance, los impactos potenciales de este trabajo aún son inconmensurables.

"Hay muchas formas de controlar las olas, muchos de los cuales no fueron pensados ​​antes o realmente explotados, ", dijo David R. Smith, quien cofundó CMIP y ayudó a reclutar colegas de ideas afines para Duke." Los metamateriales nos han brindado una forma de administrar las ondas de una manera que realmente no tiene precedentes ".

Tratando de llenar 'la brecha de terahercios'

Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Willie Padilla, que llegó a Duke en 2014 procedente de Boston College, está enfocando su trabajo en la más pequeña escala de longitudes de onda. Su investigación de metamateriales es la más similar a la de David R. Smith, con quien trabajó en los resonadores de anillo dividido originales en UC San Diego hace 15 años. Pero Padilla se centra principalmente en las frecuencias de terahercios que se encuentran entre las microondas y el infrarrojo en el espectro electromagnético.

El régimen de terahercios ha sido ignorado por la ciencia durante mucho tiempo porque no se presta bien a la manipulación. Los dispositivos de radio y microondas que tenemos a nuestro alrededor actúan sobre electrones. Los dispositivos ópticos e infrarrojos funcionan con fotones. Pero a medida que estos dispositivos intentan manipular fotones o electrones en frecuencias más alejadas de sus zonas de confort en el espectro electromagnético, chocan contra una pared y dejan de comportarse como se les pide. Entre los cortes de frecuencia preferidos de ambas partículas se encuentra el rango de terahercios.

"Hay una brecha fundamental, o al menos escasez de tecnología, en el rango de terahercios porque nuestra tecnología existente se basa en estas dos partículas fundamentales (el electrón y el fotón), "Dice Padilla." Realmente no se puede llenar ese espacio de terahercios per se, pero puedes encontrar formas de evitarlo ".

Padilla dice que si se pueden dominar, Las ondas de terahercios tienen cualidades que podrían ser útiles. Pueden penetrar la ropa seca, lo que los convierte en una buena opción para la inspección en los aeropuertos. También pueden proporcionar un ancho de banda mucho mayor para las comunicaciones, aunque su incapacidad para penetrar la humedad en el aire probablemente los confinará a aplicaciones entre satélites en el espacio, no aplicaciones punto a punto en una Tierra nublada.

Padilla también está trabajando en metamateriales libres de metales que están diseñados para absorber ondas electromagnéticas en lugar de enfocarlas o emitirlas. Dichos materiales podrían ser buenos para la recolección de energía o detectores que puedan escanear activamente en busca de fugas de metano o gas natural. controle la salud de vastos campos de cultivo o clasifique rápidamente los plásticos para reciclarlos.

"Las cámaras termográficas de infrarrojos están restringidas al rango de infrarrojos, "dijo Padilla." Con estos absorbentes de metamateriales, podemos construir cámaras térmicas en otros rangos del espectro donde de otro modo sería imposible ".

Atrapando luz en estructuras nanoscópicas

La "P" en el acrónimo CMIP significa plasmónicos, que es la especialidad de Maiken Mikkelsen, que se unió a Duke en 2012. La plasmónica utiliza fenómenos físicos a nanoescala para atrapar ciertas frecuencias de luz, provocando una variedad de comportamientos interesantes.

Esto se logra formando cubos de plata de solo cien nanómetros de ancho y colocándolos solo unos pocos nanómetros por encima de una fina lámina de oro. Cuando la luz entrante incide en la superficie de un nanocubo, excita los electrones de la plata, atrapando la energía de la luz, pero solo a una cierta frecuencia.

El tamaño de los nanocubos de plata y su distancia desde la capa base de oro determina esa frecuencia, mientras que controlar el espacio entre las nanopartículas permite ajustar la fuerza de la absorción. Al adaptar con precisión estos espacios, los investigadores pueden hacer que el sistema absorba o emita cualquier frecuencia de luz que deseen, desde las longitudes de onda visibles hasta el infrarrojo.

La capacidad de absorber o emitir cualquier frecuencia de luz en estos reinos adaptando las propiedades estructurales conduce a algunas ideas interesantes para las aplicaciones. Por ejemplo, Mikkelsen está trabajando para desarrollar la tecnología en una nueva forma de detectar imágenes a través de múltiples espectros. Estos dispositivos de imágenes pueden identificar miles de plantas y minerales, diagnosticar melanomas cancerosos y predecir patrones climáticos, simplemente por el espectro de luz que reflejan.

Esta aplicación tiene una ventaja sobre las tecnologías de imagen actuales que pueden cambiar entre espectros, ya que son costosos y voluminosos porque requieren numerosos filtros o conjuntos complejos. Y la necesidad de movimiento mecánico en tales dispositivos reduce su vida útil esperada y puede ser un inconveniente en condiciones difíciles. como los que experimentan los satélites.

"Es un desafío crear sensores que puedan detectar tanto el espectro visible como el infrarrojo, ", dijo Mikkelsen." Tradicionalmente, se necesitan diferentes materiales que absorban diferentes longitudes de onda, y eso se vuelve voluminoso y caro. Pero con nuestra tecnología, Las respuestas de los detectores se basan en propiedades estructurales que diseñamos más que en las propiedades naturales de un material. Lo que es realmente emocionante es que podemos emparejar esto con un esquema de fotodetector para combinar imágenes tanto en el espectro visible como en el infrarrojo en un solo chip ".

La técnica también se puede utilizar para imprimir. En lugar de crear píxeles con áreas ajustadas para responder a colores específicos, Mikkelsen y su equipo crean píxeles con tres barras que consisten en nanocubos de plata que absorben tres colores:azul, verde y rojo. Controlando las longitudes relativas de cada barra, pueden dictar qué combinación de colores refleja el píxel. Es una versión novedosa del esquema RGB clásico que se utilizó por primera vez en fotografía en 1861.

Pero a diferencia de la mayoría de las otras aplicaciones, el esquema de color plasmónico promete nunca desvanecerse con el tiempo y se puede reproducir de manera confiable con gran precisión una y otra vez. También permite a sus usuarios crear esquemas de color en el infrarrojo.

"De nuevo, la parte interesante es poder imprimir tanto en visible como en infrarrojo utilizando los mismos materiales, ", dijo Mikkelsen." Es bastante notable cómo las propiedades de una estructura pueden ser completamente alteradas por pequeños cambios en la disposición mientras se utilizan los mismos bloques de construcción de material ".

Doblar el sonido como un holograma

En el otro extremo de las longitudes de onda, bien fuera de la escala electromagnética, Steve Cummer, miembro del grupo CMIP, ha estado ideando formas de controlar el sonido con metamateriales.

"Formé parte del equipo de Duke que trabajaba en el encubrimiento con John Pendry y David Smith, y una pregunta natural que surgió de ese trabajo fue, ¿Puedes hacer los mismos trucos para controlar otros tipos de olas? ", dijo Cummer. quien es profesor de ingeniería eléctrica e informática y continúa trabajando con metamateriales electromagnéticos también.

"Las ondas sonoras fueron una segunda opción natural para mirar, ", Dice Cummer." Después de seis meses de callejones sin salida, Finalmente encontré un enfoque que funcionó y demostró que, de hecho, puedes controlar las ondas sonoras de la misma manera, si puede crear las propiedades de material adecuadas ".

Las propiedades correctas del material resultaron ser la densidad y la rigidez a la compresión del fluido por el que se mueve el sonido. Cummer descubrió que, al igual que con los metamateriales electromagnéticos, si creaba estructuras específicas con materiales que de otro modo no serían notables, podía controlar cómo se movían las ondas sonoras.

Las coloridas estructuras de plástico que hace su equipo con la impresión 3-D se parecen mucho a los bloques de Lego que se pueden apilar y organizar en varias configuraciones para obtener diferentes resultados. Los interiores de los bloques de plástico contienen espirales y otras formas que obligan a las ondas sonoras a tomar trayectorias de diferentes longitudes. Las diferentes longitudes de viaje en la estructura interna de cada bloque ralentizan las partes de una onda de sonido en diversos grados, cambiando la forma de la ola que emerge al otro lado de una matriz de bloques.

En un estudio de prueba de concepto de 2016, Cummer y su equipo construyeron una pared de esos bloques cuidadosamente diseñados para esculpir una onda de sonido en un holograma de forma arbitraria, un sonido con forma. Eligieron hacer la forma de la letra A mayúscula.

"La mayoría de la gente está familiarizada con hologramas hechos de luz, ", dijo Cummer." Ese es un truco general que se puede hacer con todo tipo de olas. La clave es cómo utilizar una superficie plana para crear una complicada campo de onda tridimensional. Creamos una estructura de metamaterial acústica donde el sonido que emerge del otro lado es un campo sonoro mucho más complicado. Mientras hacíamos que la onda de sonido tomara la forma de la letra A, tal vez podamos hacer algo como imitar el complicado campo de sonido producido por una orquesta en vivo con un solo altavoz ".

Otras áreas de aplicación incluyen insonorización o absorción acústica, donde las estructuras más compactas podrían absorber solo los tonos no deseados, dejando el resto inalterado. Y si la idea pudiera reducirse a dimensiones ultrasónicas, la técnica podría permitir más pequeños, más económico, dispositivos de formación de imágenes por ultrasonidos más eficientes desde el punto de vista energético ».

Ondas de experimentación viajando en todas direcciones

En otra parte del Centro de metamateriales y plasmónicos integrados, los equipos están trabajando en la transmisión de energía inalámbrica, imágenes de microondas para controles de seguridad, remoción de estelas en embarcaciones oceánicas y más. Sus exploraciones van desde cálculos teóricos hasta prototipos con potencial comercial.

Y el grupo sigue creciendo. En el verano de 2018, Natalia Litchinitser se unirá al grupo de la Universidad de Buffalo. También trabajando en el ámbito de la fotónica óptica, Litchinitser está llevando a cabo proyectos como la creación de una lente de metamaterial que pueda resolver características celulares más pequeñas que la longitud de onda de la luz y la tecnología de camuflaje que funciona enviando luz girando alrededor de un largo, objeto delgado en lugar de rebotar en él.

"Es algo que comenzó como una búsqueda muy científica, investigación muy fundamental, casi filosófico, ", Dijo Smith. Pero ahora están surgiendo empresas de metamateriales." El viaje ha sido espectacular, ", Dijo Smith." A partir de '¿para qué sirve esto?', Quién sabe, a quién le importa, en realmente extravagante, ideas locas, y ahora en una refinada comercialización real de ideas.