Точность, необходимая для расположения составных частей метаматериала, также известных как включения, была сложным шагом в их разработке и применении.Теперь инженеры Пенсильванского университета показали способ создания метаматериалов с одним включением, что, помимо других полезных функций, обеспечивает более легкое изготовление.
Подобно электронному «легированию», когда добавление небольшого количества атомных примесей к «чистому» материалу придает ему электронные свойства, необходимые для многих вычислительных и сенсорных устройств, это «фотонное легирование» позволит найти новые способы моделирования и адаптации световой материи. взаимодействия, которые в будущем повлияют на оптические технологии, такие как гибкая фотоника.Исследование, опубликованное в журнале Science, возглавили Надер Энгета, профессор электротехники и системной инженерии Х. Недвилл Рэмси, вместе с членами его группы, Иниго Либерал, Ахмед М. Махмуд, Юэ Ли и Брайан Эдвардс.«Как и в случае электронного легирования, добавление набора посторонних атомов в чистый материал может значительно изменить электронные и оптические свойства основы», — сказал Энгета, — «фотонное легирование» означает добавление постороннего фотонного объекта в специализированный фотонный объект. основная структура может существенно изменить оптическое рассеяние исходной структуры ".Это явление работает с определенным классом материалов с диэлектрической проницаемостью, параметром, который имеет отношение к электрическому отклику материала, математически представленному греческой буквой эпсилон, который почти равен нулю.
Ключевое качество этих материалов, близких к нулю, или ENZ, заключается в том, что магнитное поле волны равномерно распределяется по двумерным узлам ENZ, независимо от их формы поперечного сечения.
Такие материалы ENZ встречаются либо в природе, либо могут быть получены традиционными методами из метаматериалов.Вместо того, чтобы создавать сложные периодические структуры, которые значительно изменяют оптические и магнитные свойства таких материалов, Энгета и его группа разработали способ однократного включения в двумерную структуру ENZ для выполнения той же задачи: изменение длины волны света, который будет отражать или пройти, или изменить магнитный отклик конструкции«Если я хочу изменить способ взаимодействия части материала со светом, я обычно должен изменить его все», — сказал Энгета, — «Не здесь. выглядят иначе с точки зрения внешней волны ».Диэлектрический стержень представляет собой цилиндрическую конструкцию из изоляционного материала, который может быть поляризован. Когда он вставлен в двухмерный хост ENZ, он может влиять на магнитное поле внутри этого хоста и, следовательно, может заметно изменить оптические свойства материала хоста ENZ.
Поскольку магнитное поле волны в 2-мерном хосте ENZ имеет равномерное пространственное распределение, диэлектрический стержень можно разместить в любом месте внутри материала. Таким образом, входящие волны ведут себя так, как будто материал-хозяин имеет существенно другой набор оптических свойств. Поскольку стержень не нужно размещать в точном месте, создание таких фотонно-легированных структур может быть достигнуто с относительной легкостью.
Применение этих концепций метаматериалов с помощью «фотонного допирования» имеет значение для систем обработки информации и приложений в телекоммуникациях.«Когда мы работаем с волной, это фотонное допирование может быть для нас новым способом определения пути, который эта волна проходит от А до В внутри устройства», — сказал Энгета. «С относительно небольшим изменением диэлектрического стержня мы можем заставить волны« идти в том направлении »и« не идти в том направлении ». То, что нам нужно только внести изменения в стержень, который представляет собой крошечную часть материала основы, должно помочь в увеличении скорости устройства, и, поскольку эффект такой же для хоста ENZ с произвольной формой, сохраняя при этом его крест — площадь сечения фиксирована, это свойство может быть очень полезно для гибкой фотоники ».Дальнейшие исследования демонстрируют более сложные способы применения фотонного легирования к материалам ENZ, такие как добавление нескольких стержней разного диаметра.«Диэлектрические свойства стержня могут реагировать на тепловые, оптические или электрические изменения», — сказал Энгета. «Это означает, что мы могли бы использовать исходный материал ENZ для считывания показаний датчика, поскольку он будет передавать или отражать свет из-за изменений в этом стержне.
Добавление большего количества стержней позволит еще точнее настроить реакцию материала».