O campo dos metamateriais, uma interseção da ciência dos materiais, física, nanotecnologia e engenharia elétrica, visa produzir estruturas com propriedades eletromagnéticas incomuns. Por meio da combinação cuidadosa de vários materiais em um arranjo periódico preciso, os metamateriais resultantes exibem propriedades que de outra forma não poderiam existir, como um índice de refração negativo. Alguns metamateriais podem até canalizar ondas eletromagnéticas em torno de suas superfícies, tornando-os invisíveis para certos comprimentos de onda de luz.

A precisão necessária para organizar as partes constitutivas de um metamaterial, também conhecido como inclusões, tem sido uma etapa desafiadora em seu desenvolvimento e aplicação.

Agora, Os engenheiros da Universidade da Pensilvânia mostraram uma maneira de fazer metamateriais com uma única inclusão, proporcionando fabricação mais fácil, entre outros recursos úteis.

Análogo ao "doping eletrônico, "onde adicionar uma pequena quantidade de impurezas atômicas a um material" puro "dá a ele as propriedades eletrônicas necessárias para muitos dispositivos computacionais e de detecção, este "doping fotônico" permitiria novas maneiras de esculpir e adaptar as interações luz-matéria, com impacto futuro na tecnologia óptica, como fotônica flexível.

O estudo, publicado no jornal Ciência , foi liderado por Nader Engheta, H. Nedwill Ramsey Professor de Engenharia Elétrica e de Sistemas, junto com membros de seu grupo, Iñigo Liberal, Ahmed M. Mahmoud, Yue Li e Brian Edwards.

"Assim como no doping eletrônico, ao adicionar um conjunto de átomos estranhos em um material puro pode alterar significativamente as propriedades eletrônicas e ópticas do hospedeiro, "Engheta disse, "'dopagem fotônica' significa adicionar um objeto fotônico estranho em uma estrutura hospedeira fotônica especializada pode alterar o espalhamento óptico da estrutura original de uma maneira importante."

O fenômeno funciona com uma classe específica de materiais que possuem permissividade, um parâmetro que tem a ver com a resposta elétrica do material, matematicamente representado pela letra grega épsilon, isso é quase zero.

A principal qualidade desses epsilon quase zero, ou ENZ, materiais é que o campo magnético da onda é distribuído uniformemente por todos os hosts ENZ bidimensionais, independentemente de sua forma transversal. Esses materiais ENZ ocorrem naturalmente ou podem ser feitos por meios tradicionais de metamateriais.

Em vez de projetar estruturas periódicas complicadas que alteram significativamente as propriedades ópticas e magnéticas de tais materiais, Engheta e seu grupo desenvolveram uma maneira de uma única inclusão em uma estrutura ENZ 2-D para realizar a mesma tarefa:alterar quais comprimentos de onda de luz refletirão ou passarão, ou alterando a resposta magnética da estrutura

"Se eu quiser mudar a maneira como um pedaço de material interage com a luz, Eu normalmente tenho que mudar tudo isso, "Engheta disse, "Não aqui. Se eu colocar uma única haste dielétrica em qualquer lugar dentro deste material ENZ, toda a estrutura terá uma aparência diferente da perspectiva de uma onda externa. "

A haste dielétrica é uma estrutura cilíndrica feita de um material isolante que pode ser polarizado. Quando inserido em um host ENZ 2-D, pode afetar o campo magnético dentro deste hospedeiro e, consequentemente, pode alterar notavelmente as propriedades ópticas do material ENZ hospedeiro.

Como o campo magnético da onda no host 2-D ENZ tem uma distribuição espacial uniforme, a haste dielétrica pode ser colocada em qualquer lugar dentro do material. As ondas que chegam, portanto, se comportam como se o material hospedeiro tivesse um conjunto significativamente diferente de propriedades ópticas. Uma vez que a haste não precisa ser colocada em um local preciso, a construção de tais estruturas dopadas fotonicamente pode ser alcançada com relativa facilidade.

A aplicação desses conceitos de metamaterial por meio de "dopagem fotônica" tem implicações para sistemas de processamento de informações e aplicações em telecomunicações.

"Quando estamos trabalhando com uma onda, esse doping fotônico pode ser uma nova maneira de determinarmos o caminho que essa onda percorre de A a B dentro de um dispositivo, "Engheta disse." Com uma mudança relativamente pequena na haste dielétrica, podemos causar ondas de 'vá por aqui' e 'não vá por ali'. Que só precisamos fazer uma mudança na haste, que é uma pequena parte do material hospedeiro, deve ajudar com a velocidade do dispositivo, e, porque o efeito é o mesmo para o host ENZ com forma arbitrária, mantendo sua área de seção transversal fixa, esta propriedade pode ser muito útil para fotônica flexível. "

Outras pesquisas demonstram maneiras mais complicadas de aplicar dopagem fotônica a materiais ENZ, como adicionar várias hastes com diâmetros diferentes.

"A propriedade dielétrica da haste pode responder ao calor, mudanças ópticas ou elétricas, "Engheta disse." Isso significa que poderíamos usar o material ENZ do host como a leitura de um sensor, pois iria transmitir ou refletir luz devido a mudanças na haste. Adicionar mais hastes permitiria um ajuste ainda mais preciso da resposta do material. "