Şeffaf metal gördünüz mü? Son derece şeffaf bir metal metamalzeme!
Malzeme biliminde, akromatik optik elemanlar yüksek şeffaflığa ve düşük dispersiyona sahiptir. Malzeme bilimcileri, metallerin oldukça opak olmasına rağmen, yoğun şekilde düzenlenmiş metal nanopartikül dizilerinin (hacimce% 75'ten fazla metal) kızılötesi radyasyon altında germanyum gibi ortamlardan daha şeffaf olduğunu kanıtladılar. Böyle bir dizi, ultra geniş bant dalga boyu aralığında hemen hemen hiç dağılma olmadan etkili bir ortam oluşturabilir, böylece metamalzemelere dayalı çeşitli yeni nesil optik cihazlar tasarlayabilir. Bilim adamları, nanopartiküllerin boyutunu, şeklini ve aralığını değiştirerek bu malzemelerin yerel kırılma indisini ayarlayabilir, böylece ışığı mikroskobik ölçekte yönlendirmek ve odaklamak için gradyan indeksi lensler tasarlayabilir.
Elektrik alanı, orta alana eşzamanlı olarak odaklanmak ve "sıkıştırmak" için metal nanopartiküller arasındaki boşluklarda güçlü bir şekilde yoğunlaştırılabilir, böylece güçlü, iki kat artırılmış bir sıcak nokta oluşturur. Bilim adamları, kızılötesi spektroskopinin ve diğer doğrusal olmayan işlemlerin geniş bir frekans aralığında ölçülmesini kolaylaştırmak için bu sıcak noktaları kullanabilir. Nature Communications dergisinde yayınlanan bir çalışmada, Samuel J. Palmer ve Amerika Birleşik Devletleri, İspanya ve Amerika Birleşik Devletleri'nde Fizik, Matematik ve Nanoteknoloji Bölümü'nden disiplinlerarası bir araştırma ekibi Almanya'da yapılan araştırmalar, yapay ortamın kızılötesi radyasyona karşı yüksek derecede şeffaflık sağlayabildiğini ve bu sonucun parçacıklar nanometre boyutunda olsa bile gözlemlenebileceğini gösteriyor.
- Resim, metallerin, ortamın ve etkili ortamın yavaşça değişen elektrik alanlarına nasıl tepki verdiğini gösterir.Her sistemde, uygulanan elektrik alanı, yüzey yüklerinin birikmesi tarafından üretilen indüklenen elektrik alanına zıttır. Resim: Doğa İletişimi
Çalışmalar, elektrik alanının parçacıklara nüfuz ettiğini (onları iletkenlikte kusurlu hale getirerek) ve sıkı bir düzenlemede güçlü bir şekilde etkileşime girmelerine neden olduğunu kanıtladı. Araştırmanın sonuçları, malzeme bilimcilerinin orta kızılötesi dalga boyu bölgesi için akromatik optik bileşenler tasarlamasını sağlayacak. Bu bileşenlerin yerel kırılma indisi, çevreleyen ortamın yerel kırılma indisine duyarlı olurken nanopartiküllerin boyutu, şekli ve aralığı değiştirilerek ayarlanabilir. Bilim adamları, dizideki metal nanopartikül boşluklarındaki elektrik alanını geliştirdiler ve aynı zamanda şeffaflığı, ayarlanabilirliği ve yüksek metal doldurma oranıyla bir gradyan indeksli lens tasarladılar. Bu araştırma, ışığı mikro ölçekte odaklıyor ve elektrik alanını nano ölçekte sıkıştırarak, tüm kızılötesi (IR) bölgesinde iki kat geliştirilmiş elektrik alanı sıcak noktaları oluşturuyor.
Bilim adamları, bu yeni araştırmanın, geniş bir frekans aralığında ölçüm yapmak için kızılötesi spektroskopinin ve diğer doğrusal olmayan işlemlerin kullanımını kolaylaştıracağını öngörüyorlar. Malzeme bilimcileri şu anda yeni ve gelişmiş malzemeler geliştirebilmektedir; ancak hiçbir yeni malzeme tam olarak aynı yapıya sahip değildir. Çoğu malzeme, kırılma indisi gibi tekdüze mikroskobik özelliklerle karakterize edilebilir, burada atomların tekdüzeliği, malzeme üzerindeki ortalama dalga boyundan daha azdır. Materyal yeterli alt dalga boyu yapıları içerdiğinde, metamalzemeler adı verilen yapay olarak inşa edilmiş materyaller etkin indeks tarafından tanımlanır. İlk metamalzemeler, birkaç santimetre boyutunda metal parçacık dizilerinden oluşan yapay ortamlardan oluşuyordu.Bu metal parçacık dizileri, radyo dalgalarını bir ortam gibi yönlendirip odaklayabiliyordu.
- Metal nanopartikül dizisinin etkili dielektrik sabiti
Erken yapay dielektrik malzemelerdeki metal parçacıklar çok büyüktür, radyo dalgalarına karşı yüksek şeffaflığa sahiptirler ve mükemmel iletken özellikleri gösterirler. Malzeme biliminin yeni araştırma hedefi, etkili görünür ve kızılötesi spektral ortam oluşturmak için nano-metal parçacık dizilerini kullanmaktır. Sonuç olarak, metal nanopartikül montaj teknolojisindeki ilerlemeler, optik alanda ışık ve madde arasında eşi görülmemiş karmaşık bir etkileşim mühendisliği gerçekleştirebilir. Bu çalışmada, nanoring dizilerinin ve nanosferlerinin şeffaflığı (nanopartiküller başka şekillere sahip olabilir) ve germanyum, dizinin ışığı yönlendirip odaklayabildiğini kanıtlamak için karşılaştırıldı. Nanotel dizisi, yanal olarak polarize edilmiş ışığın etkisi altında etkili bir ortam görevi görür; elektronlar üzerindeki yanal kuvvet, yüzey yükünün salınmasına neden olur ve gerçek bir ortamda atomların salınan dipolünü simüle eder.
Silindirin enine manyetik polarizasyona tepkisi dökme metalinkine benzerdir ve elektronlar, silindirin yüzeyine temas etmeden uzunlamasına elektrik alanın etkisi altında serbestçe hareket eder. Bu çalışmada, olay polarizasyonuna bakılmaksızın, nanosfer dizisi etkili bir ortam gibi davranır - elektronları herhangi bir yönde odaklayarak, böylece dielektrik salınımlı bir dipolü taklit eden bir yüzey yükü oluşturur. Germanyum gibi gerçek medyayla karşılaştırıldığında, bu dizi, sistemin metal içeriği% 75'in üzerinde olsa bile çok yüksek şeffaflık gösterir. Teorinin doğruluğunu doğrulamak için araştırmacılar, oldukça düzenli bir koloidal süperkristal oluşturmak için 60 nanometre çapında altın nanopartiküller kullandılar. Bir germanyum substratı üzerine bir süper kristal biriktirildi ve materyal, bir morötesi görünür yakın kızılötesi spektrofotometre ile karakterize edildi (fiziksel özellikler test edildi).
- Şeffaf metal dizinin deney ve sayısal simülasyonu
Bilim adamları, bu malzemenin yüksek şeffaflığa sahip olduğunu gözlemleyerek deneysel olarak metamalzeme yapmanın fizibilitesini kanıtladı. Yakın alan manyetik alanı kullanılarak, etkili ortamın, kızılötesi radyasyon için mikron düzeyinde bir lens görevi görecek kadar şeffaf olduğu bulunmuştur. Hacimce% 82 metal içermesine rağmen, bilim adamları saf altının bir dizi altın nanokapsüllere ayrıştırılmasının ışığı odaklayabilen şeffaf bir lens üretebileceğini gözlemlediler, bu da homojen bir dielektrik lensin davranışına çok benzer. Daha sonra bilim adamları farklı metal türlerini (alüminyum, gümüş, altın ve titanyum) karşılaştırdılar ve sonuçlar, daha uzun cilt derinliğine sahip malzemeler tarafından üretilen nanoparçacık dizilerinin en şeffaf ve en az dağılabilir olduğunu gösterdi. Çalışmalar, sabit bir dalga boyunda, parçacık çapının metal yüzey derinliğine oranının, parçacığın yarı parçacık bir çift kutup mu yoksa mükemmel bir iletken olarak mı davranacağını belirlediğini göstermiştir. Bilim adamları, yüksek şeffaflığa ek olarak, parçacıkların boyutunu, şeklini ve alanını kontrol ederek sistemi de ayarlayabilirler.
- Şeffaflık, malzemenin kabuğunun derinliğinin bir fonksiyonudur
Örneğin, malzeme anizotropik tepkisinin ayarlanabilir olduğunu göstermek için eliptik silindirik dizinin en-boy oranını kontrol ederek. Sayısal hesaplama sonuçları, sistem döndüğünde, etkin indeksin% 50'den fazla değişebileceğini göstermektedir. Bu nedenle bilim adamları, parçacıkların konumunu sabitleyerek ve boyutlarını ayarlayarak etkili indeksi ayarlayabilirler. Yerel etkili indeksi ayarlama potansiyelini vurgulamak için, altın silindirlerden oluşan üçgen bir ağ kullanılarak bir gradyan indeksi (GRIN) lensi oluşturuldu ve silindirin çapı konumla değiştirildi. GRIN lensleri kullanarak, bilim insanları aynı anda ışığı mikro ölçeğe odaklayabilir ve ardından ışığı nano ölçekte "sıkıştırarak" güçlü bir "iki kat geliştirilmiş" elektrik alanı sıcak noktası oluşturabilir. Plazma güçlendirmenin aksine, bu etki, geniş bant ve düşük kayıp özellikleri gösteren kayıp rezonansına bağlı değildir. GRIN merceğin odak noktası, elektrik alanın sıkıştırmasını en üst düzeye çıkarmak için en yakın birikim alanıyla çakışmalıdır.
- (Resim) Sol: En-boy oranı ve parçacık boyutunun bir fonksiyonu olarak altın nanotellerin etkin indeksi. Sayı (düz çizgi) ve Maxwell Garnett'in karışık formülü (kısa çizgi)
Çalışmadaki hava-metal arayüzündeki sürekli manyetik alanın aksine, elektrik alanı boşlukta güçlü bir şekilde konumlanmıştır. Sonuç olarak, 2m dalga boyunu 2nm'lik bir boşluğa sıkıştırmak, araştırmada güçlü bir yüksek yoğunluklu sıcak nokta oluşturdu. Bu şekilde, düşük kayıplı ve etkili bir ortam oluşturmak için bir dizi metal nanopartikül kullanılır. Bilim adamları, şeffaflığı germanyum gibi gerçek medyanın şeffaflığını aşan oldukça şeffaf diziler elde ettiler; düşük enerjili radyasyona karşı şeffaflığı ile bilinir. Ayrıca yeni metamateryal parçacıkların boyutunu, şeklini ve alanını yerel olarak ayarlayabilir ve kontrol edebilir. Bilim adamları, etkili kırılma indisinin 2 µm'den büyük tüm dalga boyları için temelde sabit olduğunu göstermiştir. Bu araştırma, malzeme bilimcilerinin, temelde üst dalga boyu sınırı olmaksızın, geniş bir frekans aralığında ışığı yönlendirebilen veya geliştirebilen metamalzemelere sahip sofistike optik cihazlar tasarlamasını ve tasarlamasını sağlayacak.
Referans dergiler "Science" "Nature Communications" "Physics Review Letters" "Optics Express"
DOI: 10.1038 / s41467-019-09939-8
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.76.4773
DOI: 10.1126 / science.1096796
DOI: 10.1364 / OE.23.028170
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
