Le domaine des métamatériaux, une intersection de la science des matériaux, la physique, nanotechnologie et génie électrique, vise à produire des structures aux propriétés électromagnétiques inhabituelles. Grâce à la combinaison minutieuse de plusieurs matériaux dans un arrangement périodique précis, les métamatériaux résultants présentent des propriétés qui ne pourraient pas exister autrement, comme un indice de réfraction négatif. Certains métamatériaux peuvent même canaliser des ondes électromagnétiques autour de leurs surfaces, les rendant invisibles pour certaines longueurs d'onde de la lumière.

La précision nécessaire à l'agencement des parties constitutives d'un métamatériau, également connu sous le nom d'inclusion, a été une étape difficile dans leur développement et leur application.

Maintenant, Les ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont montré un moyen de fabriquer des métamatériaux avec une seule inclusion, facilitant la fabrication, parmi d'autres fonctionnalités utiles.

Analogue au "dopage électronique, " où l'ajout d'une petite quantité d'impuretés atomiques à un matériau " pur " lui confère les propriétés électroniques nécessaires à de nombreux dispositifs de calcul et de détection, ce "dopage photonique" permettrait de nouvelles façons de sculpter et d'adapter les interactions lumière-matière, avec un impact futur sur la technologie optique, comme la photonique flexible.

L'étude, publié dans la revue Science , était dirigé par Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey Professeur d'ingénierie électrique et des systèmes, avec les membres de son groupe, Iñigo libéral, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li et Brian Edwards.

"Tout comme dans le dopage électronique, lorsque l'ajout d'un ensemble d'atomes étrangers dans un matériau par ailleurs pur peut altérer considérablement les propriétés électroniques et optiques de l'hôte, " Engheta a dit, "Le "dopage photonique" signifie que l'ajout d'un objet photonique étranger dans une structure hôte photonique spécialisée peut modifier considérablement la diffusion optique de la structure d'origine."

Le phénomène fonctionne avec une classe spécifique de matériaux qui ont une permittivité, un paramètre qui a à voir avec la réponse électrique du matériau, mathématiquement représenté par la lettre grecque epsilon, c'est presque zéro.

La qualité clé de ces epsilon-near-zero, ou ENZ, matériaux est que le champ magnétique de l'onde est distribué uniformément à travers les hôtes ENZ bidimensionnels, quelle que soit leur forme en coupe. De tels matériaux ENZ se produisent soit naturellement, soit peuvent être fabriqués par des moyens traditionnels de métamatériaux.

Plutôt que de concevoir des structures périodiques compliquées qui modifient considérablement les propriétés optiques et magnétiques de ces matériaux, Engheta et son groupe ont conçu un moyen pour une seule inclusion dans une structure ENZ 2-D d'accomplir la même tâche :changer les longueurs d'onde de la lumière qui seront réfléchies ou traversées, ou modifier la réponse magnétique de la structure

"Si je veux changer la façon dont un morceau de matériau interagit avec la lumière, Je dois normalement tout changer, " Engheta a dit, "Pas ici. Si je place une seule tige diélectrique n'importe où dans ce matériau ENZ, la structure entière sera différente du point de vue d'une onde externe."

Le barreau diélectrique est une structure cylindrique constituée d'un matériau isolant qui peut être polarisé. Lorsqu'il est inséré dans un hôte 2-D ENZ, il peut affecter le champ magnétique au sein de cet hôte et par conséquent peut modifier notablement les propriétés optiques du matériau ENZ hôte.

Parce que le champ magnétique de l'onde dans l'hôte 2-D ENZ a une distribution spatiale uniforme, la tige diélectrique peut être placée n'importe où dans le matériau. Les ondes entrantes se comportent donc comme si le matériau hôte avait un ensemble de propriétés optiques significativement différent. Comme la tige n'a pas besoin d'être placée à un endroit précis, la construction de telles structures dopées photoniquement peut être réalisée avec une relative facilité.

L'application de ces concepts de métamatériaux via le "dopage photonique" a des implications pour les systèmes de traitement de l'information et les applications dans les télécommunications.

"Quand on travaille avec une vague, ce dopage photonique peut être une nouvelle façon pour nous de déterminer le chemin que cette onde prend de A à B au sein d'un appareil, " A déclaré Engheta. "Avec un changement relativement faible dans la tige diélectrique, nous pouvons faire des vagues « va par ici » et « ne va pas par là. » Qu'il suffit de changer la tige, qui est une infime partie du matériel hôte, devrait aider avec la vitesse de l'appareil, et, parce que l'effet est le même pour l'hôte ENZ avec une forme arbitraire tout en gardant sa section transversale fixe, cette propriété peut être très utile pour la photonique flexible."

D'autres recherches démontrent des façons plus compliquées d'appliquer le dopage photonique aux matériaux ENZ, comme l'ajout de plusieurs tiges de diamètres différents.

"La propriété diélectrique de la tige peut être sensible à la chaleur, modifications optiques ou électriques, " A déclaré Engheta. " Cela signifie que nous pourrions utiliser le matériel ENZ hôte comme la lecture d'un capteur, car il transmettrait ou réfléchirait la lumière en raison de changements dans cette tige. L'ajout de tiges supplémentaires permettrait un réglage encore plus fin de la réponse du matériau."