Metamateriały nie występują naturalnie w przyrodzie. Są zbudowane w oparciu o tzw. sztuczne atomy, czyli periodycznie rozłożone komórki elementarne. Rozmiar takiej komórki elementarnej jest kilkukrotnie mniejszy od długości fali, a mimo to cała struktura z falą oddziałuje.

MIKROWNĘKA OPARTA NA GRAFENIE

Koncepcja przestrajalnej mikrownęki rezonansowej opartej na grafenie to kolejna próba wykreowania metamateriałów, które w przyszłości mogą zostać wykorzystane w wielofunkcyjnych urządzeniach fotonicznych, takich jak kamery na podczerwień czy wojskowe celowniki optyczne.

Swoją propozycję tzw. hiperbolicznej mikrownęki przedstawili w „Scientific Reports” dr inż. Michał Dudek, dr inż. Rafał Kowerdziej i Alessandro Pianelli z grupy prof. dra hab. inż. Janusza Parki z Instytutu Fizyki Technicznej. Artykuł pt. „Graphene-based tunable hyperbolic microcavity” ukazał się 8 stycznia 2021 r.

Przestrajalną mikrownękę rezonansową naukowcy zbudowali w oparciu o tzw. metamateriały hiperboliczne. Struktury te składają się z naprzemiennie ułożonych warstw przewodnika i dielektryka. Rolę przewodnika pełni tu grafen, zaś dielektrykiem jest krzemionka. Symulacje komputerowe pokazały, że zarówno modulacja grubości warstw krzemionki, jak i zmiana napięcia przyłożonego do warstw grafenu, wpływa na przestrajalność właściwości transmisyjnych oraz odbiciowych otrzymanej mikrownęki. Wnęka rezonansowa może jednocześnie wzmacniać i modulować promieniowanie.

Obok analizy teoretycznej naukowcy zaproponowali także wytworzenie rzeczywistych struktur fotonicznych. Jeśli struktury te zostaną dostosowane do możliwości produkcji przemysłowej, będzie można wytwarzać m.in. przestrajalne filtry na zakres podczerwieni i światła widzialnego. Takie filtry eliminują z wiązki promieniowania fale o niechcianej długości, przepuszczając jednocześnie wszystkie pozostałe. Ich zastosowanie poprawi funkcjonalność m.in. kamer na podczerwień, dalmierzy optycznych, detektorów skażeń i innych urządzeń.

„Opisane przez nas struktury mogą zostać wykorzystane w aktywnych i wielofunkcyjnych urządzeniach fotonicznych jako przestrajalne filtry, modulatory, w konstrukcji laserów, bądź też w takich zastosowaniach, gdzie wymagana jest duża szybkość działania, np. we współczesnych systemach telekomunikacyjnych, w tym istotnych dla potrzeb wojska” - tłumaczą autorzy.

METAURZĄDZENIA NA BAZIE CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

W Zakładzie Fizyki i Technologii Kryształów na Wydziale Nowych Technologii i Chemii WAT od dekady prowadzone są badania nad metamateriałami. W jednej z wcześniejszych publikacji w tym samym czasopiśmie fizycy opisali przestrajalny metamateriałowy modulator światła widzialnego. Jest to urządzenie hybrydowe zbudowane w oparciu o nanostrukturalną metapowierzchnię i tzw. dwuczęstotliwościowy ciekły kryształ. Autorami opracowania są dr inż. Rafał Kowerdziej, prof. dr hab. inż. Jerzy Wróbel i prof. dr hab. inż. Przemysław Kula.

Modulator metamateriałowy dzięki wykorzystaniu dwuczęstotliwościowego ciekłego kryształu pozwala szybko (w czasie poniżej 1 milisekundy) przestrajać i kontrolować amplitudę i fazę przechodzącego promieniowania. Ponadto, może zachowywać się jak efektywny przewodnik lub izolator dla określonych długości fal i odpowiedniego napięcia elektrycznego.

Takie urządzenia w niedalekiej przyszłości mogą znaleźć zastosowanie m.in. jako detektory sygnałów radarów szumowych oraz modulatory fal elektromagnetycznych do inteligentnej amunicji.