p A união da teoria e prática torna a banda larga, dispositivos ópticos de baixa perda práticos, É por isso que dois grupos de engenheiros da Penn State colaboraram para projetar metamateriais ópticos que possuem aplicativos personalizados que são facilmente fabricados. p Metamateriais são materiais manufaturados que derivam suas propriedades incomuns da estrutura, e não apenas da composição, e possuem propriedades exóticas geralmente não encontradas na natureza. Metamateriais nanoestruturados parecem diferentes para sinais de frequências diferentes. Eles são dispersivos, de modo que se os pesquisadores manipularem esta dispersão de material, eles ganham um controle abrangente do desempenho do dispositivo em uma banda de frequências.

p No passado, para controlar a ótica de metamateriais, os pesquisadores usaram estruturas complicadas, incluindo anéis tridimensionais e espirais que são difíceis, senão impossíveis, de fabricar em grandes números e tamanhos pequenos em comprimentos de onda ópticos. De uma perspectiva prática, nanoestruturas simples e fabricáveis ​​são necessárias para a criação de dispositivos de alto desempenho.

p “Devemos projetar (nanoestruturas que podem ser fabricadas, "disse Theresa S. Mayer, Distinto Professor de Engenharia Elétrica e codiretor do laboratório de nanofabricação da Penn State.

p Projetar materiais que possam permitir a passagem de uma faixa de comprimentos de onda enquanto bloqueia outros comprimentos de onda é muito mais difícil do que simplesmente criar algo que transmita uma única frequência. É necessário minimizar a distorção do sinal no domínio do tempo em uma faixa de comprimentos de onda, e o material também deve ser de baixa perda.

p "Não queremos que o sinal mude ao passar pelo dispositivo, "disse Jeremy A. Bossard, pós-doutorado em engenharia elétrica.

p A maior parte do que entra deve sair com pouca absorção ou distorções na forma de onda do sinal devido à dispersão do metamaterial.

p "O que fazemos é usar abordagens de otimização global para direcionar, em larguras de banda amplas, o desempenho óptico e as restrições de nano fabricação exigidas por diferentes problemas de design, "disse Douglas H. Werner, John L. e Genevieve H. McCain, Professor Catedrático de Engenharia Elétrica. "A metodologia de design combinada com a abordagem de fabricação é extremamente importante."

p A equipe de design analisou metamateriais estruturados em rede de pesca existentes e aplicou técnicas de otimização inspiradas na natureza com base em algoritmos genéticos. Eles otimizaram as dimensões de recursos como o tamanho da rede arrastão e a espessura dos materiais. Uma das inovações transformadoras feitas pelos pesquisadores foi a inclusão de nanonotches nos cantos dos buracos da rede arrastão, criando um padrão que poderia ser ajustado para moldar a dispersão em grandes larguras de banda. Eles relataram sua abordagem na edição online de hoje (28 de março) da Relatórios Científicos .

p "Introduzimos nanonotches nos cantos dos orifícios de ar para dar muito mais flexibilidade para controlar de forma independente as propriedades de permissividade e permeabilidade em uma banda larga, "disse Werner." A rede arrastão convencional não tem muita flexibilidade, mas é fácil de fabricar. "

p A permissividade mede a facilidade ou dificuldade de induzir um campo elétrico em um material, enquanto a permeabilidade mede a facilidade ou dificuldade de induzir um campo magnético. Teoricamente, manipular a permissividade e a permeabilidade permite o ajuste do metamaterial em uma faixa de comprimentos de onda e cria o índice desejado de refração e impedância.

p A teoria pode fornecer uma solução, mas essa solução pode se tornar realidade? A equipe de fabricação impôs restrições ao design para garantir que o material pudesse ser fabricado usando litografia por feixe de elétrons e corrosão iônica reativa. O material inicial era um sanduíche de ouro com três camadas, poliimida e ouro sobre silício oxidado. Quando a máscara de dióxido de silício e a resistência do feixe de elétrons são removidas, os pesquisadores ficaram com um metamaterial óptico com as propriedades desejadas.

p Neste caso, eles criaram um filtro passa-banda, mas os mesmos princípios podem ser aplicados a muitos dispositivos ópticos usados ​​em sistemas de comunicações ópticas, Medicina, teste e caracterização ou mesmo varredura de feixe óptico se o metamaterial for moldado para formar um prisma.

p Outro uso deste metamaterial poderia ser em conjunto com materiais naturais que não possuem as propriedades desejadas para uma aplicação óptica específica.

p “Todos os materiais têm uma dispersão natural, "disse Mayer." Podemos querer revestir um material natural em algumas regiões para compensar a dispersão. "

p De acordo com Werner, atualmente, a única forma de compensar é encontrar outro material natural que dê conta do recado. Raramente existe tal material.