Una nova manera de mesurar les propietats de la llum de metamaterials hiperbòlics

Una nova forma de mesurar les propietats de la llum de metamaterials hiperbòlics pot ser manipulant la llum de diverses maneres:

• Reduint la seva longitud d'ona i permetent que viatgi lliurement en una direcció.
• Deixant-la en un altre metamaterial hiperbòlic, que tingui una àmplia aplicació en comunicacions òptiques i com a sensors de nanopartícules.

Però algunes de les propietats òptiques que fan que aquests metamaterials siguin tan atractius els fan frustrantment difícils d'avaluar.

Per exemple, la disparitat entre la longitud d'ona de la llum incident, que viatja per l'aire i la longitud d'ona molt més curta dins d'aquests metamaterials, impedeix que la llum incident penetri molt endins. Aquesta propietat es pot utilitzar per crear un sensor de nanopartícules, però planteja un problema per mesurar quin metamaterial hiperbòlic obté les seves fites de manca de llum, caracteritzades per una propietat elèctrica coneguda com a permisivitat. Si la llum no pot penetrar profundament en un metamaterial hiperbòlic, no es pot avaluar amb precisió la permissivitat.
Actualment, els investigadors del CNST han desenvolupat un nou mètode de mesura que evita aquesta dificultat. Utilitzant un prisma de vidre fora de plataforma, per millorar la interacció de la llum incident amb metamaterials hiperbòlics, un equip liderat per Cheng Zhang del CNST i el NanoCenter de la Universitat de Maryland i Henri Lezec del NIST ha ideat una manera senzilla i molt més precisa de determinar la permisivitat.

El prisma de vidre serveix per dues funcions. La llum que viatja a través del vidre té una longitud d'ona de mida intermitja entre la llum incident i la llum dins d'un metamaterial hiperbòlic. En enviar llum al prisma de vidre abans d'entrar al metamaterial hiperbòlic, els investigadors minimitzen el desajustament en la longitud d'ona, permetent que la llum penetri més endavant en el material. A més, la forma del prisma dirigeix ​​la llum per atacar el metamaterial hiperbòlic en l'angle òptim per provar el material
Atès que la tècnica utilitza un prisma fora de la plataforma i no requereix cap modificació del metamaterial hiperbòlic, es compromet a servir com a mètode fiable i fàcil d'adoptar per caracteritzar una classe àmplia d'estructures de materials altament anisòptiques, les propietats òptiques de les quals depenen l'angle amb què la llum colpeja la superfície. I com Zhang i els seus col·legues fabriquen versions més complexes d'aquests materials, utilitzant capes nanoengineadas de diferents compostos.

Font: Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia

Un nou algoritme pot descobrir materials amb característiques inusuals, inclosa la invisibilitat

Els metamaterials són materials dissenyats artificialment. Els científics els creen combinant diversos elements a partir de materials compostos, com ara un metall i un aïllant elèctric. El resultat és un material totalment nou amb propietats no trobades a la natura. Els enginyers poden utilitzar aquests materials per crear nous dispositius o millorar els existents.

Suposant que es vol construir una capa d'invisibilitat de la vida real. Per aconseguir la invisibilitat, un metamaterial ha de tenir certes propietats òptiques. Concretament, els científics haurien de dissenyar el material perquè pogués controlar com la llum es mou al voltant d'un objecte sense que es reflecteixi ni s'absorbeixi. Aquest disseny és possible, però tindria només el material correcte amb l'estructura correcta.
Hi ha centenars de milers d'estructures de potencials materials amb respostes òptiques que cauen en algun lloc de l'espectre òptic. Cal explorar-los per trobar un nou disseny.
Ara, el professor nord-americà Yongmin Liu ha desenvolupat un nou mètode per descobrir ràpidament materials que tenen qualitats desitjables. En un article publicat recentment a ACS Nano, Liu i els seus companys descriuen un algorisme d'aprenentatge automàtic que han desenvolupat i entrenat per identificar noves estructures de metamaterials. El nou mètode és molt més ràpid i més precís que els anteriors, preparant el camí perquè els enginyers dissenyin materials de pròxima generació.

L'algoritme s'ha provat en un conjunt de dades de 30.000 mostres diferents, cadascuna representant una relació específica entre una estructura metamaterial i la propietat òptica corresponent. Una vegada que l'algoritme va aprendre aquestes relacions, va poder-ne predir de noves.
La cerca de totes les possibles combinacions de paràmetres per als materials és gairebé impossible. A l'introduir la intel·ligència artificial al disseny metamaterial, sembla ser que serà possible gaudir del potencial dels metamaterials. La investigació del professor Liu apunta a una nova orientació de la recerca que seguiran molts grups en aquest camp.

Els enginyers poden utilitzar l'algorisme per descobrir nous materials amb característiques útils específiques. Per exemple, els panells solars actuals només poden convertir entre 20 i 30 per cent de la llum solar en energia elèctrica. Liu està interessat en trobar un material capaç d'absorbir lleugerament el 100 per cent per crear panells solars més eficients.
Amb aquest algoritme, es poden dissenyar noves propietats de metamaterials sota demanda, aquests nous materials òptics serviran de base per a una varietat de dispositius funcionals. Es confia que l'algoritme sigui capaç d'identificar el material adequat. Però la tecnologia actual només podria muntar el material a escala nanomètrica. Fabricar una capa prou gran és un repte important per al qual els científics consideren que encara queden entre 10 i 15 anys per la seva superació.

S'ha vist un gran progrés en la fabricació avançada, com ara la impressió 3D. S'espera que les persones que treballen en aquesta àrea plantegin idees creatives per resoldre el repte de la seva fabricació.

Font: Northeastern University

Antenes de metamaterials

Més petit, més lleuger, millor rendiment i antenes miniatura més multifuncionals amb un major rendiment poden ser possibles utilitzant materials intel·ligents, segons els enginyers de Penn State. Una aplicació particularment prometedora d'aquesta tecnologia és per a sistemes de comunicacions per satèl·lit.

Aquestes antenes fetes de metamaterials, posseeixen propietats exòtiques que no solen trobar-se en la naturalesa i amb les que es poden integrar amb equips digitals de ràdios electròniques modernes que estan controlades amb programari, facilitant un sistema de comunicacions amb notable transformació de la freqüència i agilitat en la polarització.

Els enginyers que estan fent la investigació, van explicar en un número recent d'Advanced Electronic Materials, que van desenvolupar una petita i funcionalitzada antena amb metamaterial operada alhora per components tuning del metamaterial i l'antena junts com un sistema, segons va dir Clinton Scarborough, que va treballar en aquesta investigació.
Els metamaterials deriven les seves propietats inusuals de les estructures fabricades, en lloc de les interaccions atòmiques o moleculars per si soles.
"Les antenes basades en metamaterials, sovint pateixen un estigma durant l'operació de l'ample de banda i és que són impracticablement estretes", va dir Scarborough. "Les ràdios han de ser capaces d'operar sobre un ample de banda considerable però, normalment, només en un sol canal. Les lleis de la física dicten que una petita antena de metamaterial, tindrà un petit ample de banda, però les ràdios modernes, podran sintonitzar fàcilment l'antena perquè operi en qualsevol canal de la ràdio, donant un rendiment comparable a una antena de gran amplada de banda mentre ocupa menys espai i, fins i tot, proporcionarà noves capacitats".

Els enginyers van desenvolupar un metamaterial sintonizable que els permet sintonitzar una antena en miniatura amb amples de banda instantanis i estrets, a través d'una banda de comunicacions en funció de la cadena en ús, va dir Douglas H. Werner president i professor d'enginyeria elèctrica.
"L'ajust del metamaterial i l'antena en conjunt, proporciona un canal operatiu dinàmic, amb una resposta sintonitzable, a més de polarització gairebé arbitrària, com un benefici addicional", va dir Werner. "Mitjançant l'ús d'aquests conceptes basats en metamaterials, hem estat capaços d'idear una manera que sintonitza dinàmicament la resposta de freqüència i polarització mentre que, al mateix temps, proporciona una via a l'ampliació dels dissenys a baixes freqüències".
Molts grups de recerca estan treballant en diferents tipus d'antenes basades en metamaterials, però el que ha estat tot un repte, ha estat trobar la manera d'escalar aquestes estructures a l'antena associada per operar a freqüències més baixes, mantenint una grandària física pràctica ja que, com menor sigui la freqüència, més gran és l'antena, va dir Werner.

Font: PHYSORG