Innovatie

Wetenschappers vinden 'onzichtbaar' metamateriaal uit met bonusreflectiemodus

Wetenschappers vinden 'onzichtbaar' metamateriaal uit met bonusreflectiemodus

Een internationaal onderzoeksteam heeft de creatie voorgesteld van een nieuw metamateriaal met instelbare optische eigenschappen - zonder de noodzaak van mechanische (of handmatige) invoer - wat de betrouwbaarheid van optische apparaten kan verbeteren en tegelijkertijd de fabricagekosten kan verlagen, aldus een omslagartikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd.Optica.

GERELATEERD: ONZICHTBAARHEIDSCLOAKS WORDEN VERWACHT MEER DAN ALLEEN FILM PROPS

'Onzichtbaar' metamateriaal aan de horizon

De versnelde ontwikkeling in de natuurkunde en materiaalkunde in de afgelopen decennia heeft de samenleving een breed spectrum aan beschikbare materialen opgeleverd. Maar nu worden degenen die complexe apparaten ontwerpen, minder beperkt door de beperkingen van traditionele materialen zoals metalen, glas, hout of mineralen. Dit is waar metamaterialen - bestudeerd aan de ITMO University en elders - nieuwe kansen bieden voor nieuwe toepassingen.

Metamaterialen, die uit complexe periodieke structuren bestaan, zijn relatief onafhankelijk van de eigenschappen van hun constitutieve componenten en kunnen volumetrische of vlakke structuren hebben. Deze laatste worden metasurfaces genoemd.

"Metasurfaces stellen ons in staat om veel interessante effecten te bereiken bij de manipulatie van licht", zegt Ivan Sinev, senior onderzoeker aan de afdeling natuurkunde en engineering van de ITMO University.Optiek. "Maar deze meta-oppervlakken hebben één probleem: hoe ze omgaan met licht, wordt beslist op het moment dat we hun structuur ontwerpen. Bij het maken van apparaten voor praktisch gebruik willen we deze eigenschappen niet alleen aan het begin, maar ook tijdens gebruik ook. "

Nieuwe 'metasurfaces' smeden

Bij het zoeken naar materialen die geschikt zijn voor adaptieve optische apparaten, gebruiken ITMO University-onderzoekers hun aanzienlijke ervaring in het werken met siliciummetasurfaces om hun krachten te bundelen met hun collega's van de University of Exeter in het Verenigd Koninkrijk - die ook zeer ervaren zijn in het werken met faseovergangsmaterialen. Een voorbeeld van zo'n materiaal is de germaniumantimoontelluride (GeSbTe) -verbinding die op dvd's wordt aangetroffen.

"We hebben berekeningen gemaakt om te zien hoe dit nieuwe composietmateriaal eruit zou zien", zei Pavel Trofimov, een doctoraatsstudent bij de afdelingen natuurkunde en engineering, tegen Optica. "We hebben een insluiting van GeSbTe ingebed als een dinglaag tussen twee lagen silicium. Het is een soort sandwich: eerst bedekken we een blanco substraat met silicium, dan leggen we een laag faseovergangsmateriaal op en dan nog wat silicium. "

Hierna gebruiken wetenschappers een methode van e-beam lithografie om de nieuw gelaagde structuur om te zetten in een meta-oppervlak. Ten slotte werd het een reeks microscopisch kleine schijven die in het laboratorium moesten worden getest - om te zien hoe goed het licht manipuleert.

Faseverandering: onzichtbare orde, chaotische reflectie

Zoals de onderzoekers hadden verwacht, creëerde de combinatie van twee materialen in een complexe periodieke structuur een belangrijke functie: het transparantieniveau van het nieuw gevormde oppervlak kan tijdens het experiment worden gewijzigd. Dit komt door een siliciumschijf in het nabij-infrarode gebied met twee optische resonanties - waardoor het infraroodstralen sterk reflecteert die naar het oppervlak zijn gericht. De laag GeSbTe geeft wetenschappers de mogelijkheid om een ​​van de twee resonanties "uit te schakelen", waardoor de schijf bijna transparant is voor licht in het nabij-infrarode deel van het spectrum.

Materialen die in staat zijn tot faseverandering, hebben twee toestanden: de ene is kristallijn en omvat moleculen die in een geordende structuur zijn gerangschikt, terwijl de andere een amorfe toestand is. Wanneer de GeSbTe-laag in het midden van het metamateriaal in een kristallijne toestand is gerangschikt, verdwijnt de tweede resonantie - wanneer deze amorf is, reflecteert de schijf IR-stralen.

"Om tussen de twee metasurface-toestanden te schakelen, hebben we een voldoende krachtige pulslaser gebruikt", zei Pavel Trofimov tegenOptiek. "Door de laser op onze schijf te focussen, kunnen we de omschakeling relatief snel uitvoeren. Een korte laserpuls verwarmt de GeSbTe-laag bijna tot het smeltpunt, waarna hij snel afkoelt en amorf wordt. een reeks korte pulsen, het koelt langzamer af en bezinkt in een kristallijne toestand. "

De eigenschappen van het nieuwe metasurface openen de deur naar tal van toepassingen. Het meest interessante is de creatie van lidars - apparaten die een ruimte scannen via het uitzenden van infraroodpulsen en vervolgens gereflecteerde stralen ontvangen. Het principe van de creatie van dit metamateriaal zou ook de productie van speciale ultradunne fotografische lenzen kunnen bevorderen, zoals degene die we allemaal gebruiken in smartphonecamera's.

Terwijl de materiaalwetenschap doorbraken blijft stapelen, kan de groeiende wereld van geavanceerde elektronica - van smartphones van consumentenkwaliteit tot geavanceerde militaire hardware - zijn eerste stappen zetten in een grote industriële revolutie.


Bekijk de video: Hoe verloopt een asbestinventarisatie in de praktijk? (Juli- 2021).