Inovação

Cientistas inventam metamaterial 'invisível' com modo de reflexão bônus

Cientistas inventam metamaterial 'invisível' com modo de reflexão bônus

Uma equipe de pesquisa internacional propôs a criação de um novo metamaterial com propriedades ópticas ajustáveis ​​- sem a necessidade de entrada mecânica (ou manual) - que pode melhorar a confiabilidade do dispositivo óptico e também reduzir os custos de fabricação, de acordo com um artigo de capa publicado na revistaOptica.

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Metamaterial 'invisível' no horizonte

O desenvolvimento acelerado da física e da ciência dos materiais nas últimas décadas trouxe à sociedade um amplo espectro de materiais disponíveis. Mas agora aqueles que projetam dispositivos complexos são menos limitados pelos limites dos materiais tradicionais, como metais, vidro, madeira ou minerais. É aqui que os metamateriais - estudados na ITMO University e em outros lugares - abrem novas oportunidades para novos usos.

Consistindo em estruturas periódicas complexas, os metamateriais são relativamente independentes das propriedades de seus componentes constitutivos e podem ter estruturas volumétricas ou planas. Os últimos são chamados de metasuperfícies.

"Metasurfaces nos permitem alcançar muitos efeitos interessantes na manipulação da luz", disse o pesquisador sênior do Departamento de Física e Engenharia da Universidade ITMO, Ivan Sinev, aoÓptica. "Mas essas metassuperfícies têm um problema: como eles interagem com a luz é decidido no momento em que projetamos sua estrutura. Ao criar dispositivos para uso prático, gostaríamos de ser capazes de controlar essas propriedades não apenas no início, mas durante usar, também. "

Forjando novas 'metasuperfícies'

Enquanto procuram materiais apropriados para dispositivos ópticos adaptativos, os pesquisadores da ITMO University usam sua considerável experiência trabalhando com metassuperfícies de silício para unir forças com seus colegas da University of Exeter no Reino Unido - que também têm muita experiência em trabalhar com materiais de mudança de fase. Um desses materiais é o composto de telureto de germânio e antimônio (GeSbTe) encontrado em DVDs.

"Fizemos cálculos para ver como seria esse novo material composto", disse Pavel Trofimov, estudante de doutorado nos departamentos de física e engenharia, para Optica. “Temos uma inclusão de GeSbTe incorporada como uma camada de coisa entre duas camadas de silício. É uma espécie de sanduíche: primeiro revestimos um substrato em branco com silício, depois colocamos uma camada de material de mudança de fase e, em seguida, um pouco mais de silício. "

Depois disso, os cientistas usam um método de litografia de feixe eletrônico para converter a estrutura em camadas em uma metassuperfície. Finalmente, tornou-se uma série de discos microscópicos para serem testados em laboratório - para ver como ele manipula a luz.

Mudança de fase: ordem invisível, reflexão caótica

Assim como os pesquisadores esperavam, a combinação de dois materiais em uma estrutura periódica complexa criou uma função importante: o nível de transparência da superfície recém-formada pode ser alterado durante o experimento. Isso ocorre por causa de um disco de silício na região do infravermelho próximo com duas ressonâncias ópticas - o que permite que ele reflita fortemente os feixes infravermelhos apontados para sua superfície. A camada de GeSbTe dá aos cientistas a capacidade de "desligar" uma das duas ressonâncias, o que torna o disco quase transparente à luz na parte do infravermelho próximo do espectro.

Os materiais capazes de mudança de fase têm dois estados: um é cristalino e envolve moléculas organizadas em uma estrutura ordenada, enquanto o outro é um estado amorfo. Quando a camada GeSbTe no centro do metamaterial é organizada em um estado cristalino, a segunda ressonância desaparece - quando é amorfa, o disco refletirá os feixes de infravermelho.

"Para alternar entre os dois estados de metassuperfície, usamos um laser de pulso suficientemente poderoso", disse Pavel Trofimov àÓptica. "Ao focalizar o laser em nosso disco, somos capazes de realizar a troca de forma relativamente rápida. Um curto pulso de laser aquece a camada GeSbTe quase até o ponto de fusão, após o qual ela esfria rapidamente e se torna amorfa. Se a sujeitarmos a uma série de pulsos curtos, ele esfria mais lentamente, estabelecendo-se em um estado cristalino. "

As propriedades da nova metassuperfície abrem a porta para uma variedade de aplicações. O mais interessante é a criação de lidars - dispositivos que fazem a varredura de um espaço através da emissão de pulsos infravermelhos e, em seguida, recebem feixes refletidos. O princípio de criação desse metamaterial também pode promover a produção de lentes fotográficas ultrafinas especiais, como as que todos usamos em câmeras de smartphones.

À medida que a ciência dos materiais continua acumulando inovações, o mundo em expansão da eletrônica de ponta - de smartphones de consumo a hardware militar avançado - pode estar dando seus primeiros passos em uma grande revolução industrial.


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