La vista superior muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido por emisión de campo de una parte de la nanoestructura de metamaterial fabricada. Barra de escala:3000 nm. El recuadro muestra una celda unitaria ampliada. Barra de escala:200 nm. Crédito:Penn State
La unión de la teoría y la práctica hace que la banda ancha, prácticos dispositivos ópticos de baja pérdida, razón por la cual dos grupos de ingenieros de Penn State colaboraron para diseñar metamateriales ópticos que tienen aplicaciones personalizadas que se fabrican fácilmente.
Los metamateriales son materiales manufacturados que derivan sus propiedades inusuales de la estructura en lugar de solo la composición, y poseen propiedades exóticas que normalmente no se encuentran en la naturaleza. Los metamateriales nanoestructurados parecen diferentes para señales de diferentes frecuencias. Son dispersivos de modo que si los investigadores manipulan esta dispersión de material, obtienen un control completo del rendimiento del dispositivo en una banda de frecuencias.
En el pasado, para controlar la óptica de los metamateriales, Los investigadores utilizaron estructuras complicadas que incluían anillos tridimensionales y espirales que son difíciles, si no imposibles, de fabricar en grandes cantidades y tamaños pequeños en longitudes de onda ópticas. Desde una perspectiva práctica, Se necesitan nanoestructuras simples y fabricables para crear dispositivos de alto rendimiento.
"Debemos diseñar (nanoestructuras que se puedan fabricar, "dijo Theresa S. Mayer, Profesor distinguido de ingeniería eléctrica y codirector del laboratorio de nanofabricación de Penn State.
Diseñar materiales que puedan permitir el paso de un rango de longitudes de onda mientras bloquean otras longitudes de onda es mucho más difícil que simplemente crear algo que transmita una sola frecuencia. Es necesario minimizar la distorsión en el dominio del tiempo de la señal en un rango de longitudes de onda, y el material también debe ser de baja pérdida.
"No queremos que la señal cambie a medida que pasa por el dispositivo, "dijo Jeremy A. Bossard, becario postdoctoral en ingeniería eléctrica.
Una fotografía del filtro de metamaterial independiente fabricado de película delgada montado en un marco óptico. Crédito:Penn State
La mayoría de lo que entra debe salir con poca absorción o distorsiones en la forma de onda de la señal debido a la dispersión del metamaterial.
"Lo que hacemos es utilizar enfoques de optimización global para orientar, sobre anchos de banda amplios, el rendimiento óptico y las limitaciones de nano fabricación requeridas por diferentes problemas de diseño, "dijo Douglas H. Werner, John L. y Genevieve H. McCain Catedrático de Ingeniería Eléctrica. "La metodología de diseño junto con el enfoque de fabricación es de vital importancia".
Esta es una vista inclinada, Imagen de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo de la nanoestructura de metamaterial fabricada. Barra de escala:1000 nm. Crédito:Penn State
El equipo de diseño examinó los metamateriales estructurados de red existentes y aplicó técnicas de optimización inspiradas en la naturaleza basadas en algoritmos genéticos. Optimizaron las dimensiones de características como el tamaño de la red y los espesores de los materiales. Una de las innovaciones transformadoras realizadas por los investigadores fue la inclusión de nanonotches en las esquinas de los agujeros de la red. creando un patrón que podría ajustarse para dar forma a la dispersión en grandes anchos de banda. Informaron sobre su enfoque en la edición en línea de hoy (28 de marzo) de Informes científicos .
"Introdujimos nanonotches en las esquinas de los orificios de ventilación para dar mucha más flexibilidad para controlar de forma independiente las propiedades de permitividad y permeabilidad en una banda ancha, ", dijo Werner." La red de pesca convencional no tiene mucha flexibilidad, pero es fácil de fabricar ".
La permitividad mide la facilidad o dificultad de inducir un campo eléctrico en un material, mientras que la permeabilidad mide la facilidad o dificultad de inducir un campo magnético. Teóricamente manipular la permitividad y la permeabilidad permite sintonizar el metamaterial en un rango de longitudes de onda y crea el índice deseado de refracción e impedancia.
La teoría puede proporcionar una solución, pero, ¿puede esa solución convertirse en realidad? El equipo de fabricación impuso restricciones al diseño para garantizar que el material pudiera fabricarse mediante litografía por haz de electrones y grabado con iones reactivos. El material inicial era un sándwich de oro de tres capas, poliimida y oro sobre silicio oxidado. Cuando se eliminan la máscara de dióxido de silicio y la resistencia al haz de electrones, los investigadores se quedaron con un metamaterial óptico con las propiedades deseadas.
En este caso, crearon un filtro de paso de banda, pero los mismos principios se pueden aplicar a muchos dispositivos ópticos utilizados en sistemas de comunicaciones ópticas, medicamento, pruebas y caracterización o incluso escaneo de haz óptico si el metamaterial tiene la forma de un prisma.
Otro uso de este metamaterial podría ser en conjunto con materiales naturales que no tienen las propiedades deseadas para una aplicación óptica específica.
"Todos los materiales tienen una dispersión natural, ", dijo Mayer." Podríamos querer revestir un material natural en algunas regiones para compensar la dispersión ".
Según Werner, Actualmente, la única forma de compensarlo es encontrar otro material natural que haga el trabajo. Rara vez existe tal material.
