Os engenheiros elétricos da Duke University criaram o primeiro metamaterial eletromagnético do mundo feito sem nenhum metal. A capacidade do dispositivo de absorver energia eletromagnética sem aquecimento tem aplicações diretas na geração de imagens, detecção e iluminação.

Metamateriais são materiais sintéticos compostos de muitos indivíduos, recursos de engenharia que juntos produzem propriedades não encontradas na natureza. Imagine uma onda eletromagnética movendo-se através de uma superfície plana feita de milhares de minúsculas células elétricas. Se os pesquisadores puderem ajustar cada célula para manipular a onda de uma maneira específica, eles podem ditar exatamente como a onda se comporta como um todo.

Para que os pesquisadores manipulem as ondas eletromagnéticas, Contudo, eles normalmente tiveram que usar metais condutores de eletricidade. Essa abordagem, Contudo, traz consigo um problema fundamental de metais - quanto maior a condutividade elétrica, melhor o material também conduz o calor. Isso limita sua utilidade em aplicações que dependem da temperatura.

Em um novo jornal, engenheiros elétricos da Duke University demonstram o primeiro metamaterial eletromagnético completamente dielétrico (não metálico) - uma superfície ondulada com cilindros como a face de um tijolo de Lego que é projetada para absorver ondas terahertz. Embora esta faixa de frequência específica fique entre ondas infravermelhas e micro-ondas, a abordagem deve ser aplicável para quase todas as frequências do espectro eletromagnético.

Os resultados apareceram online em 9 de janeiro no jornal Optics Express .

"As pessoas já criaram esses tipos de dispositivos antes, mas as tentativas anteriores com dielétricos sempre foram combinadas com pelo menos algum metal, "disse Willie Padilla, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke University. "Ainda precisamos otimizar a tecnologia, mas o caminho para várias aplicações é muito mais fácil do que com abordagens baseadas em metal. "

Padilla e seus colegas criaram seu metamaterial com silício dopado com boro - um não metálico. Usando simulações de computador, eles calcularam como as ondas terahertz interagiriam com cilindros de diferentes alturas e larguras.

Os pesquisadores então fabricaram um protótipo que consiste em centenas desses cilindros otimizados alinhados em fileiras em uma superfície plana. Testes físicos mostraram que a nova "metassuperfície" absorveu 97,5% da energia produzida pelas ondas a 1,011 terahertz.

A absorção eficiente de energia de ondas eletromagnéticas é uma propriedade importante para muitas aplicações. Por exemplo, dispositivos de imagem térmica podem operar na faixa de terahertz, mas porque eles incluíram anteriormente pelo menos algum metal, obter imagens nítidas tem sido um desafio.

"O calor se propaga rapidamente nos metais, o que é problemático para termovisores, "disse Xinyu Liu, doutoranda no laboratório de Padilla e primeira autora do artigo. "Existem truques para isolar o metal durante a fabricação, mas isso se torna complicado e caro. "

Outra aplicação potencial para a nova tecnologia é a iluminação eficiente. As lâmpadas incandescentes produzem luz, mas também geram uma quantidade significativa de calor desperdiçado. Eles devem operar em altas temperaturas para produzir luz - muito mais alta do que o ponto de fusão da maioria dos metais.

"Podemos produzir uma metassuperfície dielétrica projetada para emitir luz, sem produzir calor residual, "Padilla disse." Embora já tenhamos sido capazes de fazer isso com metamateriais baseados em metal, você precisa operar em alta temperatura para que tudo funcione. Os materiais dielétricos têm pontos de fusão muito mais elevados do que os metais, e agora estamos tentando mover rapidamente essa tecnologia para o infravermelho para demonstrar um sistema de iluminação. "