Représentation artistique de la nouvelle technologie des métasurfaces. Des rayons de lumière (rouge) bombardent les cylindres de silicium, modifier leurs propriétés électromagnétiques pour régler avec précision la façon dont ils interagissent avec les ondes électromagnétiques. Crédit :Kebin Fan, université de Duke
Des chercheurs de l'Université Duke ont construit le premier sans métal, métamatériau accordable dynamiquement pour contrôler les ondes électromagnétiques. L'approche pourrait constituer la base de technologies allant des scanners de sécurité améliorés aux nouveaux types d'affichages visuels.
Les résultats paraissent le 9 avril dans le journal Matériaux avancés .
Un métamatériau est un matériau artificiel qui manipule les ondes comme la lumière et le son à travers les propriétés de sa structure plutôt que sa chimie. Les chercheurs peuvent concevoir ces matériaux pour avoir des propriétés rares ou non naturelles, comme la capacité d'absorber des plages spécifiques du spectre électromagnétique ou de courber la lumière vers l'arrière.
"Ces matériaux sont constitués d'une grille d'unités distinctes qui peuvent être réglées individuellement, " a déclaré Willie Padilla, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "Comme une onde traverse la surface, le métamatériau peut contrôler l'amplitude et la phase à chaque endroit de la grille, ce qui nous permet de manipuler la vague de différentes manières."
Dans la nouvelle technologie, chaque emplacement de grille contient un minuscule cylindre de silicium de seulement 50 microns de haut et 120 microns de large, avec les cylindres espacés de 170 microns les uns des autres. Bien que le silicium ne soit normalement pas un matériau conducteur, les chercheurs bombardent les cylindres avec une fréquence de lumière spécifique dans un processus appelé photodopage. Cela imprègne le matériau généralement isolant de propriétés métalliques en excitant des électrons sur les surfaces des cylindres.
Ces électrons nouvellement libérés font interagir les cylindres avec les ondes électromagnétiques qui les traversent. La taille des cylindres dicte les fréquences de lumière avec lesquelles ils peuvent interagir, tandis que l'angle du photodopage affecte la façon dont ils manipulent les ondes électromagnétiques. En manipulant délibérément ces détails, le métamatériau peut contrôler les ondes électromagnétiques de différentes manières.
Un regard microscopique sur les cylindres comprenant le métamatériau diélectrique accordable. Crédit :Université Duke
Pour cette étude, les cylindres ont été dimensionnés pour interagir avec les ondes térahertz, une bande du spectre électromagnétique située entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Le contrôle de cette longueur d'onde de la lumière pourrait améliorer les communications à large bande entre les satellites ou conduire à une technologie de sécurité qui peut facilement balayer les vêtements. L'approche pourrait également être adaptée à d'autres bandes du spectre électromagnétique - comme la lumière infrarouge ou visible - simplement en redimensionnant la taille des cylindres.
"Nous démontrons un nouveau domaine où nous pouvons contrôler dynamiquement chaque point de la métasurface en ajustant la façon dont ils sont photodopés, " a déclaré Padilla. "Nous pouvons créer n'importe quel type de motif que nous voulons, nous permettant de créer des lentilles ou des dispositifs d'orientation du faisceau, par exemple. Et parce qu'ils sont contrôlés par des faisceaux lumineux, ils peuvent changer très rapidement avec très peu de puissance."
Alors que les métamatériaux existants contrôlent les ondes électromagnétiques grâce à leurs propriétés électriques, la nouvelle technologie peut également les manipuler grâce à leurs propriétés magnétiques.
"Cela permet à chaque cylindre non seulement d'influencer l'onde entrante, mais l'interaction entre cylindres voisins, " dit Kebin Fan, chercheur dans le laboratoire de Padilla et premier auteur de l'article. "Cela donne au métamatériau beaucoup plus de polyvalence, comme la capacité de contrôler les ondes se déplaçant à travers la surface du métamatériau plutôt qu'à travers celui-ci."
"Nous sommes plus intéressés par la démonstration de base de la physique derrière cette technologie, mais il a quelques caractéristiques saillantes qui le rendent attrayant pour les appareils, " dit Padilla.
"Parce qu'il n'est pas en métal, il ne fondra pas, ce qui peut poser problème pour certaines applications, " il a dit. " Il a le contrôle de la sous-longueur d'onde, ce qui vous donne plus de liberté et de polyvalence. Il est également possible de reconfigurer la manière dont le métamatériau affecte extrêmement rapidement les ondes entrantes, qui a notre groupe prévoyant d'explorer l'utiliser pour l'holographie dynamique."
