Metamateriais não existem na natureza, mas sua capacidade de fazer lentes ultrafinas e antenas de telefone celular ultraeficientes, dobrar a luz para manter os satélites mais frios e permitir que a energia fotovoltaica absorva mais energia significa que eles oferecem um mundo de possibilidades.

Formado por nanoestruturas que agem como "átomos, "dispostos em um substrato para alterar o caminho da luz de uma forma que nenhum material comum pode alcançar, essas substâncias substitutas podem manipular um feixe de luz de entrada para permitir a criação de versões mais eficientes de onipresentes, dispositivos valiosos - filtros ópticos, lasers, conversores de frequência e dispositivos que direcionam os feixes, por exemplo.

Mas o uso comercial extensivo de metamateriais foi restringido pelas limitações impostas pelos materiais que os compõem. Metamateriais à base de metal são "com perdas" (perdem energia) em comprimentos de onda mais curtos e podem operar efetivamente apenas em baixas frequências, como as frequências de rádio usadas pelo radar, antes de serem oprimidos por sua própria absorção. O silício não emite luz e pode transmiti-la apenas em uma faixa limitada de comprimento de onda, devido à sua estreita faixa de trabalho (bandgap). Portanto, nenhuma classe de material pode criar um metamaterial que irá operar nas faixas de infravermelho e óptica, onde a maioria das aplicações militares e comerciais ocorreria.

Metamateriais ópticos entram na arena

Os pesquisadores do Sandia National Laboratories estão ajudando a abrir caminho para o uso de semicondutores III-V como blocos de construção de metamateriais. (III-V refere-se a elementos nessas colunas na tabela periódica.) Pesquisadores Sandia publicaram artigos técnicos, incluindo três no ano passado, no trabalho com materiais como arsenieto de gálio e arsenieto de alumínio, que são mais eficientes do que metais para aplicações de metamateriais ópticos, com faixas de bandgap mais amplas do que o silício. O trabalho é promissor o suficiente para aparecer na capa de duas revistas técnicas.

"Há muito pouco trabalho em todo o mundo em metamateriais totalmente dielétricos usando semicondutores III-V, "disse o pesquisador da Sandia Igal Brener, Quem lidera o Sandia trabalha com os pesquisadores Mike Sinclair e Sheng Liu. "Nossa vantagem é o amplo acesso da Sandia à tecnologia III-V, tanto no crescimento quanto no processamento, para que possamos nos mover muito rápido. "

Mais brilhante que ouro

Os novos materiais dielétricos Sandia - uma espécie de isolante elétrico - oferecem mais do que apenas eficiência. Eles perdem pouca energia de entrada e podem até ser fabricados em várias camadas para formar complexos, meta-átomos tridimensionais que refletem mais luz do que superfícies de ouro brilhantes, geralmente considerado o máximo em refletividade infravermelha. Os materiais III-V também emitem fótons quando excitados - algo que o silício, que pode refletir, transmitir e absorver - não posso fazer.

Outra vantagem são seus resultados altamente variáveis, em todo o espectro de cores para que possam ser usados ​​para estender a faixa de comprimento de onda dos lasers ou para gerar "fótons emaranhados" para computação quântica.

A abordagem de Sandia também é atraente por seu método relativamente simples de formar átomos artificiais, conhecidos como ressonadores, que são as entranhas do metamaterial.

Criado sob a supervisão de Liu, os meta-átomos têm algumas centenas de nanômetros de diâmetro e são feitos de muitos átomos reais. Uma das melhorias de Liu foi oxidar esses minúsculos agrupamentos em torno de seus perímetros para criar revestimentos em camadas com um baixo índice de refração, em vez de usar um mais caro, processo de colagem "flip-chip" demorado. A complexidade dos métodos anteriores era um obstáculo para a eficiência de custo e tempo. Outros pesquisadores Sandia usaram uma variante de sua simplificação anteriormente para fazer lasers, mas não metamateriais, ele disse.

O oxidado, a superfície de baixo índice envolve o núcleo de alto índice "como no inverno, você tem um casaco ao seu redor, "Liu disse." Para confinar a luz, você precisa de um contraste de alto índice de refração. "Dito de outra forma, a luz interna que atinge a superfície de óxido de baixo índice é conduzida de volta pela diferença de refração, de modo que viaja ao longo do núcleo de alto índice.

O colega de Sandia de Liu, Gordon Keeler, conseguiu oxidação controlada simplesmente colocando materiais III-V em um forno quente e vapor de água fluindo sobre a amostra. "Vai oxidar a uma certa taxa, "Liu diz." Quanto mais material, mais tempo demora. "

Os meta-átomos feitos pelo homem são esculpidos no local durante um processo litográfico que permite aos pesquisadores fazer qualquer padrão que escolham para a colocação dos componentes do metamaterial. "Usamos simulações para nos orientar, "Liu disse. O espaçamento é determinado até certo ponto pelo tamanho dos átomos feitos pelo homem.

Nanoestruturas cúbicas fraturadas armazenam quantidades invulgarmente grandes de energia

Os pesquisadores experimentaram com nanoestruturas cilíndricas e cúbicas, reduzindo a simetria do último para obter propriedades ainda melhores.

"Os cilindros são muito mais fáceis de fabricar e normalmente podem ser usados ​​para metassuperfícies convencionais, "disse Brener." Mas cubos de simetria quebrada são cruciais para obter ressonâncias muito nítidas. Essa é a questão-chave do jornal. "

A ideia de reduzir intencionalmente a simetria de uma nanoestrutura de um ressonador cúbico se originou cinco ou seis anos atrás, disse Sinclair, com um design fortuito que quebrou a forma intencionalmente simétrica dos meta-átomos quando a equipe tentou imitar uma falha de fabricação específica.

"Durante um Grande Desafio de Metamateriais de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório [LDRD], quando estávamos fabricando ressonadores cúbicos pela primeira vez em nosso esforço para ver se poderíamos ir além das microondas em metamateriais ópticos e infravermelhos, estávamos brincando com a forma de ressonadores para tentar simular o efeito dos erros de litografia. Em uma simulação, cortamos um canto do cubo e, de repente, apareceram faixas de reflexão muito nítidas, "Sinclair disse.

Antes dessa descoberta, os metamateriais do ressonador dielétrico mostraram apenas bandas largas que não retêm muita energia. Os pesquisadores descobriram que as novas ressonâncias nítidas permitiam maior armazenamento de energia - benéfico para a conversão de frequência eficiente, e talvez até mesmo para emissão de luz e lasing.

A exploração do ressonador crimpado teve que esperar por um projeto posterior, patrocinado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia. Salvatore Campione, com base no trabalho anterior de Lorena Basilio, Larry Warne e William Langston - todos Sandia - usaram simulações eletromagnéticas para desvendar com precisão como os cubos capturam a luz. Willie Luk de Sandia mediu as propriedades reflexivas dos cubos. Outra concessão do LDRD atualmente apóia a pesquisa em lasing de metamateriais.

"Sentimos que criamos uma plataforma bastante flexível para muitos tipos diferentes de dispositivos, "Sinclair disse.

O trabalho em andamento é auxiliado por John Reno de Sandia, conhecido nacionalmente por cultivar estruturas cristalinas extremamente precisas, quem contribuiu com as bolachas III-V.