Los metamateriales no existen en la naturaleza, pero su capacidad para fabricar lentes ultrafinas y antenas de teléfonos celulares ultra eficientes, doblar la luz para mantener los satélites más fríos y permitir que los fotovoltaicos absorban más energía significa que ofrecen un mundo de posibilidades.
Formadas por nanoestructuras que actúan como "átomos", dispuestas en un sustrato para alterar el camino de la luz de una manera que ningún material ordinario puede lograr, estas sustancias sustitutas pueden manipular un haz de luz entrante para permitir la creación de versiones más eficientes de dispositivos ubicuos y valiosos- filtros ópticos, láseres, convertidores de frecuencia y dispositivos que dirigen haces, por ejemplo.
Pero el uso comercial extenso de metamateriales se ha visto restringido por las limitaciones impuestas por los materiales que los componen. Los metamateriales a base de metal son "con pérdida" pierden energía en longitudes de onda más cortas y pueden funcionar efectivamente solo a bajas frecuencias, como las frecuencias de radioutilizado por el radar, antes de ser abrumado por su propia absorción. El silicio no emite luz y puede transmitirlo solo en un rango de longitud de onda limitada debido a su rango de trabajo estrecho banda prohibida. Así que ninguna clase de material puede crear un metamaterial que opereen los rangos infrarrojo y óptico, donde se realizarían la mayoría de las aplicaciones militares y comerciales.
los metamateriales ópticos entran en la arena
Los investigadores de Sandia National Laboratories están ayudando a abrir el camino hacia el uso de semiconductores III-V como componentes básicos de los metamateriales. III-V se refiere a elementos en esas columnas en la tabla periódica. Los investigadores de Sandia han publicado documentos técnicos, incluidostres en el último año, en trabajos con materiales como el arseniuro de galio y el arseniuro de aluminio, que son más eficientes que los metales para aplicaciones de metamateriales ópticos, con rangos de banda prohibidos más amplios que el silicio. El trabajo es lo suficientemente prometedor como para haber aparecido en las cubiertas dedos revistas técnicas.
"Hay muy poco trabajo en todo el mundo sobre metamateriales totalmente dieléctricos utilizando semiconductores III-V", dijo el investigador de Sandia Igal Brener, quien dirige el trabajo de Sandia con los investigadores Mike Sinclair y Sheng Liu. "Nuestra ventaja es el vasto acceso de Sandia a III-Tecnología V, tanto en crecimiento como en procesamiento, para que podamos avanzar bastante rápido ".
más brillante que el oro
Los nuevos materiales dieléctricos Sandia, una especie de aislante eléctrico, ofrecen más que solo eficiencia. Pierden poca energía entrante e incluso pueden fabricarse en múltiples capas para formar metaátomos complejos tridimensionales que reflejan más luz quesuperficies doradas brillantes, generalmente consideradas lo último en reflectividad infrarroja. Los materiales III-V también emiten fotones cuando se excitan, algo que el silicio, que puede reflejar, transmitir y absorber, no puede hacer.
Otra ventaja son sus salidas altamente variables, a través del espectro de color, por lo que podrían usarse para extender el rango de longitud de onda de los láseres o para generar "fotones enredados" para la computación cuántica.
El enfoque de Sandia también es atractivo por su método relativamente simple de formar los átomos artificiales, conocidos como resonadores, que son las entrañas del metamaterial.
Creado bajo la supervisión de Liu, los metaátomos tienen unos cientos de nanómetros de diámetro y están hechos de muchos átomos reales. Una de las mejoras de Liu fue oxidar estas pequeñas agrupaciones alrededor de sus perímetros para crear recubrimientos en capas con un bajo índice de refracción, en lugar de utilizar un proceso de unión "flip-chip" más costoso y que requiere mucho tiempo. La complejidad de los métodos anteriores era un obstáculo para la eficiencia de costos y tiempo. Otros investigadores de Sandia habían usado una variante de su simplificación previamente para hacer láseres,pero no metamateriales, dijo.
La superficie oxidada de bajo índice rodea el núcleo de alto índice "como en invierno, tiene una capa que lo rodea", dijo Liu. "Para limitar la luz, necesita un alto contraste de índice de refracción". Dicho de otra manera,la luz interior que choca contra la superficie de óxido de bajo índice es arrastrada hacia atrás por la diferencia de refracción para que viaje a lo largo del núcleo de alto índice.
El colega de Sandia, Gordon Keeler, de Liu, logró la oxidación controlada simplemente colocando materiales III-V en un horno caliente y haciendo fluir vapor de agua sobre la muestra. "Se oxidará a un cierto ritmo", dice Liu. "Cuanto más material, más tiempotoma."
Los metaátomos hechos por el hombre se esculpen en su lugar durante un proceso litográfico que permite a los investigadores hacer cualquier patrón que elijan para la colocación de los componentes metamateriales. "Usamos simulaciones para dirigirnos", dijo Liu.en cierta medida por el tamaño de los átomos hechos por el hombre.
Las nanoestructuras cúbicas fracturadas almacenan cantidades inusualmente grandes de energía
Los investigadores experimentaron con nanoestructuras cilíndricas y cúbicas, reduciendo la simetría de esta última para lograr propiedades aún mejores.
"Los cilindros son mucho más fáciles de fabricar y, por lo general, se pueden usar para metasuperficies convencionales", dijo Brener. "Pero los cubos de simetría rota son cruciales para obtener resonancias muy definidas. Esa es la cuestión clave del artículo".
La idea de reducir intencionalmente la simetría de una nanoestructura de resonador cúbico se originó hace cinco o seis años, dijo Sinclair, con un diseño fortuito que rompió la forma simétrica intencional de los metaátomos cuando el equipo intentó imitar una fabricación en particularfalla.
"Durante un Gran Desafío de Metamateriales de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio [LDRD], cuando fabricamos por primera vez resonadores cúbicos en nuestro esfuerzo por ver si podíamos ir más allá de las microondas en metamateriales ópticos e infrarrojos, estábamos jugando con la forma de resonadores paratrate de simular el efecto de los errores de litografía. En una simulación, cortamos una esquina del cubo y de repente aparecieron bandas de reflejo muy nítidas ", dijo Sinclair.
Antes de ese descubrimiento, los metamateriales de resonador dieléctrico solo mostraban bandas anchas que no atrapaban mucha energía. Los investigadores descubrieron que las nuevas resonancias agudas permitían un mayor almacenamiento de energía, beneficioso para la conversión de frecuencia eficiente, y tal vez incluso para la emisión de luz y el láser.
La exploración del resonador ondulado tuvo que esperar un proyecto posterior, patrocinado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. Salvatore Campione, basándose en el trabajo previo de Lorena Basilio, Larry Warne y William Langston, todos de Sandia, utilizaron electromagnéticasimulaciones para desentrañar con precisión cómo los cubos atrapan la luz. Willia Luk, de Sandia, midió las propiedades reflectantes de los cubos. Otra subvención de LDRD actualmente apoya la investigación sobre el láser de metamateriales.
"Creemos que hemos creado una plataforma bastante flexible para muchos tipos diferentes de dispositivos", dijo Sinclair.
El trabajo en curso es ayudado por John Reno de Sandia, conocido a nivel nacional por el crecimiento de estructuras cristalinas extremadamente precisas, que contribuyeron con las obleas III-V.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Sandia National Laboratories . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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