Два инженера из Университета Пенсильвании предложили возможность «двумерных» метаматериалов. Эти метаматериалы толщиной в один атом можно получить, контролируя проводимость листов графена, представляющих собой один слой атомов углерода.
Профессор Надер Энгета и аспирант Ашкан Вакил, оба с факультета электротехники и системотехники Школы инженерии и прикладных наук Университета Пенна, опубликовали свои теоретические исследования в журнале Science.
Изучение метаматериалов является междисциплинарной областью науки и техники, которая значительно выросла за последние годы. Он основан на идее, что материалы могут быть сконструированы таким образом, что их общие волновые качества зависят не только от материала, из которого они сделаны, но также от структуры, формы и размера неровностей, известных как «включения» или «метамолекулы»., которые встроены в хост-носитель.
«Задавая свойства включений, а также их форму и плотность, вы достигаете в объемных свойствах чего-то необычного и не всегда доступного в природе», - сказал Энгета.
Эти необычные свойства обычно связаны с управлением электромагнитными (ЭМ) или акустическими волнами; в данном случае это ЭМ волны инфракрасного спектра
Изменение формы, скорости и направления этих видов волн является областью метаматериалов, известной как «трансформационная оптика», и может найти применение во всем, от телекоммуникаций до визуализации и обработки сигналов.
Исследование Энгеты и Вакила показывает, как трансформационная оптика теперь может быть достигнута с использованием графена, решетки углерода толщиной в один атом.
Исследователи, в том числе многие из Пенсильванского университета, приложили значительные усилия для разработки новых способов производства и обработки графена, поскольку его беспрецедентная проводимость найдет множество применений в области электроники. Однако интерес Энгеты и Вакила к графену обусловлен его способностью переносить и направлять электромагнитные волны в дополнение к электрическим зарядам, а также тем фактом, что его проводимость можно легко изменить..
Подача постоянного напряжения на лист графена посредством заземляющей пластины, идущей параллельно листу, изменяет проводимость графена для электромагнитных волн. Изменение напряжения или расстояния между заземляющей пластиной и графеном изменяет проводимость, «точно так же, как настройка ручки», - сказал Энгета..
«Это позволяет изменять проводимость разных сегментов одного листа графена по-разному», - сказал он. И если вы можете это сделать, вы можете перемещаться и управлять волной с помощью этих сегментов. Другими словами, вы можете создавать трансформирующую оптику с помощью графена».
В этом браке между графеном и метаматериалами различные области проводимости на фактически двумерном листе толщиной в один атом функционируют как физические включения, присутствующие в трехмерных версиях.
Примеры, которые Энгета и Вакил продемонстрировали с помощью компьютерных моделей, включают лист графена с двумя областями с разной проводимостью, одна из которых может поддерживать волну, а другая нет. Граница между двумя областями действует как стена, способная отражать направленную электромагнитную волну от графена так же, как в трехмерном пространстве.
Другой пример включает в себя три области, одна из которых может поддерживать волну, окруженная двумя, которые не могут. Это создает «волновод», который функционирует как волоконно-оптический кабель толщиной в один атом. Третий пример основывается на волноводе, добавляя еще одну неподдерживающую область, чтобы разделить волновод на две части.
«Мы можем «приручить» волну, чтобы она двигалась и изгибалась так, как нам нравится», - сказала Энгета. «Вместо того, чтобы играть с границей между двумя средами, мы думаем об изменениях проводимости на одном листе графена».
Другие приложения включают линзирование и возможность выполнять «плоские» преобразования Фурье, фундаментальный аспект обработки сигналов, который можно найти почти в каждой технологии со звуковыми или визуальными компонентами.
«Это проложит путь к самым тонким оптическим устройствам, которые только можно себе представить», - сказал Энгета. «Не может быть ничего тоньше одного атома!»
Поддержку этому исследованию оказало Управление научных исследований ВВС США.