Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han creado el primer metamaterial electromagnético del mundo hecho sin metal. La capacidad del dispositivo para absorber energía electromagnética sin calentamiento tiene aplicaciones directas en imágenes, sensores e iluminación.
Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos de muchas características de ingeniería individuales que juntas producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Imagine una onda electromagnética moviéndose a través de una superficie plana hecha de miles de pequeñas células eléctricas. Si los investigadores pueden sintonizar cada célula para manipular la onda ende manera específica, pueden dictar exactamente cómo se comporta la onda en su conjunto.
Sin embargo, para que los investigadores manipulen las ondas electromagnéticas, por lo general han tenido que usar metales conductores de electricidad. Sin embargo, ese enfoque conlleva un problema fundamental de los metales: cuanto mayor es la conductividad eléctrica, mejor el material también conduce el calorEsto limita su utilidad en aplicaciones que dependen de la temperatura.
En un nuevo artículo, los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke demuestran el primer metamaterial electromagnético completamente dieléctrico no metálico: una superficie con hoyuelos con cilindros como la cara de un ladrillo de Lego que está diseñada para absorber ondas de terahercios. Mientras que esta frecuencia específicael rango se encuentra entre las ondas infrarrojas y las microondas, el enfoque debería ser aplicable para casi cualquier frecuencia del espectro electromagnético.
Los resultados aparecieron en línea el 9 de enero en la revista Óptica Express .
"La gente ha creado este tipo de dispositivos antes, pero los intentos previos con dieléctricos siempre se han combinado con al menos algo de metal", dijo Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke. "Todavía tenemos que optimizar la tecnología, pero el camino hacia varias aplicaciones es mucho más fácil que con los enfoques basados en metales "
Padilla y sus colegas crearon su metamaterial con silicio dopado con boro, que no es de metal. Utilizando simulaciones por computadora, calcularon cómo interactuarían las ondas terahercios con cilindros de diferentes alturas y anchuras.
Luego, los investigadores fabricaron un prototipo que consistía en cientos de estos cilindros optimizados alineados en hileras sobre una superficie plana. Las pruebas físicas mostraron que la nueva "meta-superficie" absorbió el 97.5 por ciento de la energía producida por las olas a 1.011 terahercios.
La absorción eficiente de energía de las ondas electromagnéticas es una propiedad importante para muchas aplicaciones. Por ejemplo, los dispositivos de imágenes térmicas pueden funcionar en el rango de terahercios, pero debido a que previamente han incluido al menos algo de metal, obtener imágenes nítidas ha sido un desafío.
"El calor se propaga rápidamente en los metales, lo cual es problemático para las cámaras termográficas", dijo Xinyu Liu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Padilla y primer autor del artículo. "Hay trucos para aislar el metal durante la fabricación, pero eso se vuelve engorroso ycostoso."
Otra aplicación potencial para la nueva tecnología es la iluminación eficiente. Las bombillas incandescentes producen luz pero también generan una cantidad significativa de calor desperdiciado. Deben funcionar a altas temperaturas para producir luz, mucho más que el punto de fusión de la mayoría de los metales.
"Podemos producir una meta-superficie dieléctrica diseñada para emitir luz, sin producir calor residual", dijo Padilla. "Aunque ya hemos podido hacer esto con metamateriales a base de metal, debe operar a alta temperatura durante todo el proceso".trabajar. Los materiales dieléctricos tienen puntos de fusión mucho más altos que los metales, y ahora estamos tratando rápidamente de trasladar esta tecnología al infrarrojo para demostrar un sistema de iluminación ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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