211service.com
Osynlighet gjort enklare
Under det senaste året har media vimlat av tal om en exotisk klass av material, kallade metamaterial, som kan användas för att göra platta och distorsionsfria linser, kraftfulla mikroskop och till och med cloaking-anordningar som gör objekt osynliga. Men versioner av materialen som lämpar sig för praktiska tillämpningar har varit svåra att göra. Nu har forskare vid Princeton University visat metamaterial som har både högre prestanda och mycket lättare att tillverka, vilket kanske för dessa tillämpningar närmare verkligheten.
Böjljus: En ny typ av material får ljusvågor (representerade av ovaler) att röra sig på ett sätt som är helt annorlunda än hur de rör sig i vanliga material.
Det är ett ganska viktigt steg, säger Igor Smolyaninov , en forskare vid University of Maryland som arbetar med metamaterial. Det är mycket billigare än något annat som folk gör.
Ljus som passerar från ett vanligt material till ett annat böjer sig något – tänk på hur en rak pinne i vatten ser böjd ut – men ljus som passerar in i ett metamaterial böjer sig i motsatt riktning. Metamaterial har alltså vad som kallas ett negativt brytningsindex. En lins gjord av ett sådant material behöver inte vara böjd. (Det är krökningen hos en vanlig lins som gör det möjligt för den att fokusera inkommande ljus.) Metamaterial kan också användas för att dirigera elektromagnetiska vågor runt ett objekt, vilket gör det osynligt. Redan har forskare visat en cloaking-anordning som gör föremål osynliga för mikrovågor, och andra har skapat material som negativt bryter elektromagnetiska vågor i den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet. Men fram till nu har metamaterial behövt mönstras med invecklade former som är mindre än ljusets våglängd de är avsedda att manipulera. Följaktligen har material som arbetar med ljus av mikroskopiska våglängder, såsom infrarött och synligt ljus, varit svåra att tillverka. På grund av hur de producerar negativ brytning har befintliga metamaterial också haft en stark tendens att absorbera ljus, vilket gör dem opraktiska för användning i optik.
Materialen som utvecklats på Princeton behåller egenskapen negativ brytning, men de är mycket lättare att göra. Istället för att kräva intrikata strukturer, såsom de delade ringarna som används i mikrovågsmaskanordningen, kan materialen tillverkas helt enkelt genom att stapla upp extremt tunna lager av halvledarmaterial. Dessutom kan den staplingen göras med samma verktyg som nu används för att tillverka halvledarmaterial för lasrar som används inom telekommunikation, säger Claire Gmachl , Princeton-forskaren som ledde arbetet. De nya materialen består av alternerande lager av indiumgalliumarsenid och aluminiumindiumarsenid, och de är inställda för att fungera i det infraröda området av spektrumet.
Liksom andra metamaterial påverkar de nya materialen ljuset annorlunda än vanliga material gör eftersom de är gjorda av strukturer som är betydligt mindre än våglängden på ljuset som passerar genom dem. I det här fallet är det dock själva halvledarskikten som är tunnare än ljusets våglängd. Följaktligen möter en våg som passerar genom materialet flera lager på en gång, och svarar på dem som om de vore ett enda material med egenskaper som helt skiljer sig från dem för endera halvledaren i isolering.
Det som skiljer de nya materialen från tidigare metamaterial är att istället för att ändra två aspekter av hur ljuset rör sig, ändrar de bara en. Om ljuset betraktas som en våg, är vågfronten vinkelrät mot den riktning ljuset rör sig. Föreställ dig en havsvåg som kraschar i land: den rör sig i bara en riktning, men vågfronten är en enorm vägg av vatten. Tidigare metamaterial ändrade riktningen för ljusstrålar som passerade genom dem, och vågfronten förblev vinkelrät mot strålens riktning. I de nya materialen ändrar ljusstrålen riktning, men vågfronterna gör det inte, vilket ger intrycket att de glider åt sidan istället för att röra sig framåt. (Se bilden nedan.)
När en ljusstråle rör sig genom ett vanligt material, rör den sig i samma riktning som ljusvågorna är vända mot (översta delen av bilden). När en ljusstråle kommer in i en ny typ av metamaterial ändrar den riktning, men vågorna förblir vända åt samma håll och verkar glida i sidled (se nedre halvan av bilden). Den här bilden är från en datorsimulering.
Kredit: Anthony Hoffman, Princeton University
Den övergripande effekten på ljusstrålens riktning är densamma som i det tidigare metamaterialet, men de nya materialen är enklare att skapa, och de absorberar mycket mindre ljus, vilket gör dem mer attraktiva för användning i optik.
Den första applikationen som Princeton-forskarna utvecklar är en platt lins för kemikalieavkännande enheter, en applikation för vilken material som arbetar med infrarött ljus är särskilt väl lämpade. Gmachl säger att de nuvarande optiska inställningarna för sådana enheter är skrymmande eftersom de använder konventionella linser. Den första applikationen skulle vara att använda det materialet för att miniatyrisera optiska inställningar genom att ersätta böjda linser med platta, säger hon.
En annan tidig tillämpning kan vara i mörkerseende enheter, som också fungerar med infraröda våglängder. För människor som vill förbättra mörkerseende enheter kan detta vara ganska intressant, säger Smolyaninov.