Pesquisadores da Duke University construíram o primeiro metal livre, metamaterial sintonizável dinamicamente para controlar ondas eletromagnéticas. A abordagem pode formar a base para tecnologias que variam de scanners de segurança aprimorados a novos tipos de displays visuais.

Os resultados aparecem no dia 9 de abril na revista Materiais avançados .

Um metamaterial é um material artificial que manipula ondas como luz e som por meio de propriedades de sua estrutura, e não de sua química. Os pesquisadores podem projetar esses materiais para ter propriedades raras ou não naturais, como a capacidade de absorver faixas específicas do espectro eletromagnético ou de desviar a luz para trás.

"Esses materiais são constituídos por uma grade de unidades separadas que podem ser ajustadas individualmente, "disse Willie Padilla, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke. "Conforme uma onda passa pela superfície, o metamaterial pode controlar a amplitude e a fase em cada local na grade, o que nos permite manipular a onda de várias maneiras diferentes. "

Na nova tecnologia, cada localização da grade contém um minúsculo cilindro de silício de apenas 50 mícrons de altura e 120 mícrons de largura, com os cilindros espaçados 170 mícrons um do outro. Embora o silício não seja normalmente um material condutor, os pesquisadores bombardeiam os cilindros com uma frequência específica de luz em um processo chamado fotodopagem. Isso imbui o material tipicamente isolante com propriedades metálicas ao excitar elétrons nas superfícies dos cilindros.

Esses elétrons recém-liberados fazem com que os cilindros interajam com as ondas eletromagnéticas que passam por eles. O tamanho dos cilindros dita com quais frequências de luz eles podem interagir, enquanto o ângulo de fotodopagem afeta como eles manipulam as ondas eletromagnéticas. Ao projetar propositalmente esses detalhes, o metamaterial pode controlar ondas eletromagnéticas de muitas maneiras diferentes.

Para este estudo, os cilindros foram dimensionados para interagir com ondas terahertz - uma faixa do espectro eletromagnético que fica entre as microondas e a luz infravermelha. O controle desse comprimento de onda da luz pode melhorar as comunicações de banda larga entre os satélites ou levar a uma tecnologia de segurança que pode facilmente fazer a varredura nas roupas. A abordagem também pode ser adaptada a outras bandas do espectro eletromagnético - como infravermelho ou luz visível - simplesmente escalando o tamanho dos cilindros.

"Estamos demonstrando um novo campo onde podemos controlar dinamicamente cada ponto da metassuperfície, ajustando como eles estão sendo fotodopados, "Padilla disse." Podemos criar qualquer tipo de padrão que quisermos, permitindo-nos criar lentes ou dispositivos de direção do feixe, por exemplo. E porque eles são controlados por feixes de luz, eles podem mudar muito rápido com muito pouca energia. "

Embora os metamateriais existentes controlem as ondas eletromagnéticas por meio de suas propriedades elétricas, a nova tecnologia também pode manipulá-los por meio de suas propriedades magnéticas.

"Isso permite que cada cilindro não apenas influencie a onda de entrada, mas a interação entre os cilindros vizinhos, "disse Kebin Fan, um cientista pesquisador no laboratório de Padilla e primeiro autor do artigo. "Isso dá ao metamaterial muito mais versatilidade, como a capacidade de controlar as ondas que viajam pela superfície do metamaterial, em vez de através dele. "

"Estamos mais interessados ​​na demonstração básica da física por trás dessa tecnologia, mas tem algumas características salientes que o tornam atraente para dispositivos, "Padilla disse.

“Porque não é feito de metal, não vai derreter, o que pode ser um problema para alguns aplicativos, "ele disse." Tem controle de comprimento de onda, o que lhe dá mais liberdade e versatilidade. Também é possível reconfigurar como o metamaterial afeta as ondas de entrada extremamente rapidamente, que tem nosso grupo planejando explorar seu uso para holografia dinâmica. "