杜克大学的电气工程师发明了世界上第一种不含金属的电磁超材料。该设备在不加热的情况下吸收电磁能量的能力在成像、传感和照明方面有直接的应用。
超材料是由许多单独的、经过工程设计的特征组成的合成材料，它们共同产生了自然界中没有的特性。想象一下，电磁波穿过由数千个微小的电池组成的平面。如果研究人员可以调整每个细胞以特定的方式操纵波，他们就可以准确地指示波作为一个整体的行为。
然而，对于研究人员来说，为了操纵电磁波，他们通常不得不使用导电金属。然而，这种方法带来了金属的一个基本问题——电导率越高，材料的导热性就越好。这限制了它们在温度相关应用中的实用性。
在一篇新论文中，杜克大学的电气工程师展示了第一种完全介电(非金属)电磁超材料——一种像乐高积木表面一样带有圆柱体的凹坑表面，旨在吸收太赫兹波。虽然这个特定的频率范围位于红外波和微波之间，但这种方法应该适用于几乎任何频率的电磁频谱。
研究结果发表在1月9日的《光学快报》网络版上。
“人们之前已经创造出了这些类型的设备，但之前使用电介质的尝试总是与至少一些金属配对，”他说威利帕迪拉杜克大学电子与计算机工程教授。“我们仍然需要优化这项技术，但与基于金属的方法相比，通往多种应用的道路要容易得多。”
帕迪拉和他的同事们用掺硼硅(一种非金属)创造了他们的超材料。通过计算机模拟，他们计算了太赫兹波如何与不同高度和宽度的圆柱体相互作用。
近距离观察其中一个由新型非金属超材料组成的圆柱体。箭头描绘了电磁场的不同方面如何与圆柱体相互作用。图片来源:杜克大学
然后，研究人员制造了一个由数百个优化后的圆柱体组成的原型，这些圆柱体在平面上排成一行。物理测试表明，新的“超表面”吸收了1.011太赫兹波产生的97.5%的能量。
有效地吸收电磁波的能量是许多应用的重要特性。例如，热成像设备可以在太赫兹范围内工作，但由于它们之前至少包含一些金属，因此获得清晰的图像一直具有挑战性。
“热在金属中传播得很快，这对热成像仪来说是个问题，”帕迪拉实验室的博士生、该论文的第一作者刘欣宇(音)说。“在制造过程中有一些技巧可以分离金属，但这变得既麻烦又昂贵。”
这项新技术的另一个潜在应用是高效照明。白炽灯泡发光，但也会产生大量的废热。它们必须在比大多数金属的熔点高得多的高温下工作才能发光。
帕迪拉说:“我们可以制造出一种设计用来发光的介电超表面，而不会产生废热。”“虽然我们已经能够用金属基超材料做到这一点，但你需要在高温下操作才能使整个系统工作。介电材料的熔点比金属高得多，我们现在正迅速尝试将这项技术应用于红外照明系统。”
这项工作得到了美国能源部的支持(DE-SC0014372)。
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