Новый метаматериал поглощает электромагнитную энергию без нагрева

Метаматериалы (Metamaterials) представляют собой синтетические материалы, состоящие из множества отдельных составляющих , которые в совокупности дают свойства которые не встречаются в природе. Представьте себе электромагнитные волны, движущееся через плоскую поверхность из тысяч крошечных электрических ячеек. Если исследователи могут настроить каждый элемент для манипуляции волнами определенным образом, то они могут задавать, как именно волна должна вести себя как единое целое.





Чтобы манипулировать электромагнитными волнами, исследователи, как правило, должны были использовать электропроводность металлов. Однако, такой подход приносит с собой фундаментальную проблему металлов — чем более высокая электропроводность, тем больше материал нагревается. Это ограничивает их пользу в температурно-чуствительных процессах.

В своей новой работе, инженеры - электрики из Университета Дьюка демонстрируют первый полностью диэлектрический (неметаллический) электромагнитный метаматериал —  поверхность которого покрыта цилиндрами, как поверхность детальки Lego, которые предназначены для поглощения терагерцовых волн . Из-за того что этот диапазон частот находится между инфракрасными волнами и микроволнам, подход может быть применим практически для любой частоты электромагнитного спектра.

«Люди создавали такого типа устройства и раньше, но предыдущие попытки с диэлектриками всегда были в паре с каким-то металлом»  - сказал Вилли Падилья, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Дьюка. «Нам все еще нужно оптимизировать процесс, так как развитие нескольких технологий будет намного проще с метаматериалом, чем с металлами ».



Взглянем более пристально на один из цилиндров, содержащихся в новом неметаллическом метаматериале. Стрелки показывают, как различные аспекты электромагнитного поля взаимодействуют с цилиндром.

Падилья и его коллеги создали свой метаматериал из кремния покрытого бором. Используя компьютерное моделирование, они подсчитали, как терагерцовые волны будут взаимодействовать с цилиндрами разной высоты и ширины.

Затем исследователи изготовили прототип, состоящий из сотен оптимизированных цилиндров выровненных в ряд на плоской поверхности. Физические испытания показали, что новая «метоповерхность» («metasurface») впитывается 97,5 % энергии, вырабатываемых волн на частоте 1,011 ТГц.

Эффективное поглощение энергии электромагнитных волн является важным свойством для многих технологий и применений. Например, тепловизионные приборы могут работать в терагерцовом диапазоне, а потому ранее в них частично применялся металл, а получение четких изображений было достаточно сложной задачей.«Тепло распространяется  в металлах быстро, что является проблемой для тепловизоров» — сказал Лю Ксинью, сотрудник лаборатории Падильи и соавтор статьи. «Есть способы изолировать металл в процессе изготовления, но это становится громоздким и дорогостоящим процессом».

Другое потенциальное применение для новой технологии является эффективное освещение. Лампы накаливания дают свет, но и создают значительное количество неиспользуемого тепла. Они должны работать при высоких температурах для получения света, которые значительно выше, чем температура плавления большинства металлов.

«Мы можем произвести диэлектрическую метаповерхность, предназначенный для излучения света, не производя побочного тепла» — сказал Падилья. «Несмотря на то, что мы уже были в состоянии сделать это с помощью метаматериалов на металлической основе, материалу все равно  придется работать при высокой температуре. Диэлектрические материалы имеют точки плавления гораздо выше, чем металлы, поэтому мы пытаемся переместить эту технологию в инфракрасную область спектра, чтобы продемонстрировать такую систему освещения». опубликовано  

 

Источник: ecotechnology