Deux ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont proposé la possibilité de métamatériaux bidimensionnels. Ces métamatériaux d'un atome d'épaisseur pourraient être obtenus en contrôlant la conductivité de feuilles de graphène, qui est une seule couche d'atomes de carbone.

Professeur Nader Engheta et étudiant diplômé Ashkan Vakil, à la fois du département de génie électrique et des systèmes de la Penn's School of Engineering and Applied Science, ont publié leurs recherches théoriques dans la revue Science .

L'étude des métamatériaux est un domaine interdisciplinaire de la science et de l'ingénierie qui s'est considérablement développé ces dernières années. Il repose sur l'idée que les matériaux peuvent être conçus de manière à ce que leurs qualités globales de vague reposent non seulement sur le matériau dont ils sont faits, mais également sur le motif, forme et taille des irrégularités, connu sous le nom d'« inclusions, " ou "méta-molécules" qui sont intégrées dans le support hôte.

« En concevant les propriétés des inclusions, ainsi que leurs formes et leur densité, vous réalisez dans la propriété en vrac quelque chose qui peut être inhabituel et pas facilement disponible dans la nature, " dit Engheta.

Ces propriétés inhabituelles sont généralement liées à la manipulation d'ondes électromagnétiques (EM) ou acoustiques ; dans ce cas, ce sont des ondes EM dans le spectre infrarouge

Changer la forme, la vitesse et la direction de ces types d'ondes sont un sous-domaine des métamatériaux connus sous le nom d'« optique de transformation » et peuvent trouver des applications dans tous les domaines, des télécommunications à l'imagerie en passant par le traitement du signal.

Les recherches d'Engheta et Vakil montrent comment l'optique de transformation peut désormais être réalisée à l'aide de graphène, un réseau de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

Des chercheurs, dont beaucoup à Penn, ont consacré des efforts considérables au développement de nouvelles façons de fabriquer et de manipuler le graphène, car sa conductivité sans précédent aurait de nombreuses applications dans le domaine de l'électronique. L'intérêt d'Engheta et Vakil pour le graphène, cependant, est due à sa capacité à transporter et à guider les ondes électromagnétiques en plus des charges électriques et au fait que sa conductivité peut être facilement modifiée.

Appliquer une tension continue à une feuille de graphène, au moyen d'une plaque de sol parallèle à la tôle, modifie la conductivité du graphène aux ondes électromagnétiques. Faire varier la tension ou la distance entre la plaque de masse et le graphène altère la conductivité, "comme pour régler un bouton, " dit Engheta.

"Cela vous permet de modifier la conductivité de différents segments d'une même feuille de graphène différemment les uns des autres, " dit-il. Et si vous pouvez le faire, vous pouvez naviguer et manipuler une vague avec ces segments. En d'autres termes, vous pouvez faire de l'optique de transformation en utilisant du graphène."

Dans ce mariage entre graphène et métamatériaux, les différentes régions de conductivité sur le effectivement bidimensionnel, une feuille d'un atome d'épaisseur fonctionne comme les inclusions physiques présentes dans les versions tridimensionnelles.

Les exemples qu'Engheta et Vakil ont démontrés avec des modèles informatiques incluent une feuille de graphène avec deux zones qui ont des conductivités différentes, celui qui peut supporter une vague, et celui qui ne peut pas. La limite entre les deux zones agit comme un mur, capable de réfléchir une onde EM guidée sur le graphène comme on le ferait dans un espace tridimensionnel.

Un autre exemple concerne trois régions, celui qui peut supporter une vague entouré de deux qui ne le peuvent pas. Cela produit un "guide d'onde, " qui fonctionne comme un câble à fibre optique d'un atome d'épaisseur. Un troisième exemple s'appuie sur le guide d'ondes, ajouter une autre région non support pour diviser le guide d'ondes en deux.

"On peut 'apprivoiser' la vague pour qu'elle bouge et se plie comme on veut, " A déclaré Engheta. " Plutôt que de jouer avec la frontière entre deux médias, nous pensons aux changements de conductivité à travers une seule feuille de graphène."

D'autres applications incluent la lentille et la possibilité de faire des transformées de Fourier "flatland", un aspect fondamental du traitement du signal que l'on retrouve dans presque toutes les technologies avec des composants audio ou visuels.

« Cela ouvrira la voie aux dispositifs optiques les plus minces imaginables, " dit Engheta. " Tu ne peux rien avoir de plus fin qu'un atome ! "