La vue de dessus montre une image de microscopie électronique à balayage à émission de champ d'une partie de la nanostructure de métamatériau fabriquée. Barre d'échelle :3000 nm. L'encart montre une cellule unitaire agrandie. Barre d'échelle :200 nm. Crédit :État de Pennsylvanie
L'union de la théorie et de la pratique rend le haut débit, dispositifs optiques à faibles pertes pratiques, c'est pourquoi deux groupes d'ingénieurs de Penn State ont collaboré pour concevoir des métamatériaux optiques dotés d'applications personnalisées faciles à fabriquer.
Les métamatériaux sont des matériaux manufacturés qui tirent leurs propriétés inhabituelles de la structure plutôt que de la seule composition, et possèdent des propriétés exotiques que l'on ne trouve généralement pas dans la nature. Les métamatériaux nanostructurés apparaissent différents pour des signaux de fréquences différentes. Ils sont dispersifs, de sorte que si les chercheurs manipulent cette dispersion matérielle, ils obtiennent un contrôle complet des performances de l'appareil sur une bande de fréquences.
Autrefois, contrôler l'optique des métamatériaux, les chercheurs ont utilisé des structures complexes comprenant des anneaux et des spirales tridimensionnels qui sont difficiles, voire impossibles, à fabriquer en grand nombre et de petites tailles aux longueurs d'onde optiques. D'un point de vue pratique, des nanostructures simples et manufacturables sont nécessaires pour créer des dispositifs de haute performance.
« Il faut concevoir (des nanostructures pouvant être fabriquées, " a déclaré Theresa S. Mayer, Professeur émérite de génie électrique et codirecteur du laboratoire de nanofabrication de Penn State.
Concevoir des matériaux qui peuvent laisser passer une gamme de longueurs d'onde tout en bloquant d'autres longueurs d'onde est beaucoup plus difficile que de simplement créer quelque chose qui transmettra une seule fréquence. Il est nécessaire de minimiser la distorsion dans le domaine temporel du signal sur une gamme de longueurs d'onde, et le matériau doit également être à faible perte.
"Nous ne voulons pas que le signal change lorsqu'il traverse l'appareil, " a déclaré Jérémy A. Bossard, stagiaire postdoctoral en génie électrique.
Une photographie du film mince de filtre en métamatériau autoportant fabriqué monté sur un cadre optique. Crédit :État de Pennsylvanie
La majorité de ce qui entre doit sortir avec peu d'absorption ou de distorsions de la forme d'onde du signal en raison de la dispersion du métamatériau.
"Ce que nous faisons, c'est utiliser des approches d'optimisation globales pour cibler, sur de larges bandes passantes, les contraintes de performances optiques et de nanofabrication requises par différentes problématiques de conception, " a déclaré Douglas H. Werner, John L. et Genevieve H. McCain Chaire de professeur de génie électrique. « La méthodologie de conception associée à l'approche de fabrication est d'une importance cruciale. »
Il s'agit d'une vue inclinée, Image de microscopie électronique à balayage à émission de champ de la nanostructure de métamatériau fabriquée. Barre d'échelle :1000 nm. Crédit :État de Pennsylvanie
L'équipe de conception a examiné les métamatériaux structurés en résille existants et appliqué des techniques d'optimisation inspirées de la nature et basées sur des algorithmes génétiques. Ils ont optimisé les dimensions des éléments tels que la taille de la résille et les épaisseurs des matériaux. L'une des innovations transformatrices apportées par les chercheurs a été l'inclusion de nano-encoches dans les coins des trous de résille, créant un modèle qui pourrait être ajusté pour façonner la dispersion sur de larges bandes passantes. Ils ont rapporté leur approche dans le numéro en ligne d'aujourd'hui (28 mars) de Rapports scientifiques .
"Nous avons introduit des nano-entailles dans les coins des trous d'aération pour donner beaucoup plus de flexibilité pour contrôler indépendamment les propriétés de permittivité et de perméabilité sur une large bande, " a déclaré Werner. " La résille conventionnelle n'a pas beaucoup de flexibilité, mais c'est facile à fabriquer."
La permittivité mesure la facilité ou la difficulté d'induire un champ électrique dans un matériau, tandis que la perméabilité mesure la facilité ou la difficulté d'induire un champ magnétique. Théoriquement, la manipulation de la permittivité et de la perméabilité permet de régler le métamatériau sur une gamme de longueurs d'onde et crée l'indice de réfraction et d'impédance souhaité.
La théorie peut apporter une solution, mais cette solution peut-elle devenir réalité ? L'équipe de fabrication a imposé des contraintes sur la conception afin de garantir que le matériau puisse être fabriqué à l'aide de la lithographie par faisceau d'électrons et de la gravure ionique réactive. Le matériau initial était un sandwich à trois couches d'or, polyimide et or sur silicium oxydé. Lorsque le masque en dioxyde de silicium et la réserve de faisceau d'électrons sont retirés, les chercheurs se sont retrouvés avec un métamatériau optique avec les propriétés souhaitées.
Dans ce cas, ils ont créé un filtre passe-bande, mais les mêmes principes peuvent être appliqués à de nombreux dispositifs optiques utilisés dans les systèmes de communication optiques, Médicament, test et caractérisation voire balayage optique si le métamatériau est mis en forme pour former un prisme.
Une autre utilisation de ce métamatériau pourrait être en conjonction avec des matériaux naturels qui n'ont pas les propriétés souhaitées pour une application optique spécifique.
"Tous les matériaux ont une dispersion naturelle, " a déclaré Mayer. "Nous pourrions vouloir enduire un matériau naturel dans certaines régions pour compenser la dispersion."
Selon Werner, actuellement le seul moyen de compenser est de trouver un autre matériau naturel qui ferait le travail. Un tel matériau n'existe que rarement.
