Chaque cylindre de ce nouveau métamatériau non métallique est fait de silicium dopé au bore et précisément conçu pour absorber les ondes électromagnétiques. Crédit :Willie Padilla, université de Duke
Les ingénieurs électriciens de l'Université Duke ont créé le premier métamatériau électromagnétique au monde fabriqué sans métal. La capacité de l'appareil à absorber l'énergie électromagnétique sans chauffer a des applications directes en imagerie, détection et éclairage.
Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques composés de nombreux individus, caractéristiques techniques qui, ensemble, produisent des propriétés que l'on ne trouve pas dans la nature. Imaginez une onde électromagnétique se déplaçant à travers une surface plane constituée de milliers de minuscules cellules électriques. Si les chercheurs peuvent régler chaque cellule pour manipuler l'onde d'une manière spécifique, ils peuvent dicter exactement comment la vague se comporte dans son ensemble.
Pour que les chercheurs manipulent les ondes électromagnétiques, cependant, ils ont généralement dû utiliser des métaux conducteurs d'électricité. Cette approche, cependant, apporte avec elle un problème fondamental des métaux - plus la conductivité électrique est élevée, mieux le matériau conduit également la chaleur. Cela limite leur utilité dans les applications dépendantes de la température.
Dans un nouveau journal, Les ingénieurs électriciens de l'Université Duke font la démonstration du premier métamatériau électromagnétique complètement diélectrique (non métallique), une surface alvéolée avec des cylindres comme la face d'une brique Lego conçue pour absorber les ondes térahertz. Bien que cette gamme de fréquences spécifique se situe entre les ondes infrarouges et les micro-ondes, l'approche devrait être applicable à presque toutes les fréquences du spectre électromagnétique.
Les résultats sont apparus en ligne le 9 janvier dans le journal Optique Express .
"Les gens ont déjà créé ce type d'appareils, mais les tentatives précédentes avec des diélectriques ont toujours été associées à au moins du métal, " a déclaré Willie Padilla, professeur de génie électrique et informatique à l'Université Duke. « Nous devons encore optimiser la technologie, mais le chemin vers plusieurs applications est beaucoup plus facile qu'avec des approches basées sur le métal."
Un examen plus approfondi de l'un des cylindres comprenant un nouveau métamatériau non métallique. Les flèches décrivent comment différents aspects d'un champ électromagnétique interagissent avec le cylindre. Crédit :Willie Padilla, université de Duke
Padilla et ses collègues ont créé leur métamatériau avec du silicium dopé au bore, un non-métal. À l'aide de simulations informatiques, ils ont calculé comment les ondes térahertz interagiraient avec des cylindres de différentes hauteurs et largeurs.
Les chercheurs ont ensuite fabriqué un prototype composé de centaines de ces cylindres optimisés alignés en rangées sur une surface plane. Des tests physiques ont montré que la nouvelle "métasurface" absorbait 97,5% de l'énergie produite par les vagues à 1,011 térahertz.
L'absorption efficace de l'énergie des ondes électromagnétiques est une propriété importante pour de nombreuses applications. Par exemple, les dispositifs d'imagerie thermique peuvent fonctionner dans la gamme térahertz, mais parce qu'ils ont précédemment inclus au moins un peu de métal, obtenir des images nettes a été un défi.
"La chaleur se propage rapidement dans les métaux, ce qui est problématique pour les caméras thermiques, " dit Xinyu Liu, doctorant au laboratoire de Padilla et premier auteur de l'article. "Il existe des astuces pour isoler le métal pendant la fabrication, mais cela devient lourd et coûteux."
Une autre application potentielle de la nouvelle technologie est l'éclairage efficace. Les ampoules à incandescence produisent de la lumière mais créent également une quantité importante de chaleur perdue. Ils doivent fonctionner à des températures élevées pour produire de la lumière, bien plus élevée que le point de fusion de la plupart des métaux.
"Nous pouvons produire une métasurface diélectrique conçue pour émettre de la lumière, sans produire de chaleur perdue, " a déclaré Padilla. " Bien que nous ayons déjà été en mesure de le faire avec des métamatériaux à base de métal, il faut fonctionner à haute température pour que l'ensemble fonctionne. Les matériaux diélectriques ont des points de fusion beaucoup plus élevés que les métaux, et nous essayons maintenant de déplacer rapidement cette technologie dans l'infrarouge pour faire la démonstration d'un système d'éclairage."
