چگونه با استفاده از متامتریال ها نور را دستکاری کنیم؟

فرامواد موادی هستند که به طور مصنوعی مهندسی شده اند با خواص منحصر به فرد که برای تعامل با امواج الکترومغناطیسی به روش هایی متفاوت از مواد سنتی طراحی شده اند. یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای فرامواد، دستکاری نور است که کنترل بی‌سابقه‌ای بر رفتار آن فراهم می‌کند.
این مقاله به بررسی طراحی و ساخت فراموادی می‌پردازد که نور را دستکاری می‌کنند، در اصول، پیشرفت‌های اخیر و کاربردهای بالقوه آن‌ها تحقیق می‌کنند.
متا مواد چیست؟
در حالی که مواد معمولی بر اساس خواص ذاتی خود مانند ضریب شکست و جذب با نور تعامل دارند، فرامواد خواص نوری خود را از ترتیبات ساختاری زیر طول موج خود به دست می‌آورند که به دقت مهندسی شده‌اند تا پاسخ الکترومغناطیسی منحصربه‌فردی از خود نشان دهند که امکان کنترل دقیق دستکاری نور را فراهم می‌کند. مقیاس نانو
فرآیند طراحی
هندسه، چینش و ترکیب ساختارهای زیرموج آنها، خواص فرامواد را تعیین می کند و برای مدل سازی و پیش بینی رفتار این مواد، محققان از تکنیک های شبیه سازی پیشرفته مانند آنالیز اجزا محدود (FEA) و الکترومغناطیسی محاسباتی استفاده می کنند. به عنوان مثال، یکی از جنبه های کلیدی طراحی فراماده، تحقق ضریب شکست منفی است که به نور اجازه می دهد در جهت مخالف مواد معمولی عمل کند و منجر به پدیده های نوری جدیدی مانند سوپرلنز و نامرئی شود. تحقق ضریب شکست منفی مستلزم مهندسی دقیق ساختار فراماده است که اغلب شامل سلول های واحد با اشکال و جهت گیری های منحصر به فرد است.
تکنیک های ساخت
ترجمه موفقیت آمیز طرح های فراماده از مفاهیم نظری به سازه های محسوس بر تکنیک های ساخت پیشرفته متکی است. دانشمندان روش های مختلفی را برای ساخت فرامواد توسعه داده اند که هر کدام مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند. به عنوان مثال، فوتولیتوگرافی با فرآیند ساخت فرامواد سازگار شده است، که شامل استفاده از نور برای انتقال الگوها از یک ماسک به یک مقاوم به نور شیمیایی حساس به نور بر روی یک بستر برای ایجاد الگوهای پیچیده از ساختارهای زیرموج با دقت بالا است.
به طور مشابه، لیتوگرافی پرتو الکترونی وضوح بالاتری نسبت به فوتولیتوگرافی با تمرکز یک پرتو الکترونی برای افشای انتخابی مواد مقاوم برای ایجاد ساختارهای فراماده پیچیده و دقیق ارائه می‌کند و امکان ساخت ویژگی‌های بسیار ظریف را فراهم می‌کند. با این حال، این فرآیند کندتر از لیتوگرافی است و معمولاً برای تولید در مقیاس کوچک استفاده می شود. یکی دیگر از روش‌های نسبتا جدید و کم‌هزینه‌تر برای تولید فرامواد در مقیاس بزرگ، لیتوگرافی نانوامپرینت است که شامل فشار دادن یک قالب با الگوی مورد نظر در یک ماده پلیمری است که سپس برای تشکیل ساختار نهایی پخت می‌شود.
فرامواد در دستکاری نور
توانایی کنترل و دستکاری نور در مقیاس نانو راه را برای بسیاری از کاربردهای فرامواد در زمینه های مختلف باز می کند. به عنوان مثال، فرامواد این پتانسیل را دارند که با خم کردن نور به اطراف، اجسام را نامرئی کنند. این مفهوم که به نامرئی نوری معروف است، محققان را به خود جذب کرده و در زمینه های نظامی، نظارتی و حتی پزشکی کاربرد دارد.
فرامواد با ضریب انکسار منفی می‌توانند سوپرلنزهایی ایجاد کنند که از محدودیت‌های پراش اپتیک‌های معمولی فراتر می‌روند و جزئیات تصویربرداری دقیق‌تری را نسبت به لنزهای معمولی امکان‌پذیر می‌کنند، که برای پیشرفت در میکروسکوپ و تصویربرداری پزشکی مهم است. به طور مشابه، متا مواد را می توان برای تمرکز و هدایت نور با دقت بالا طراحی کرد که کاربردهایی در شکل دهی پرتو، مخابرات و اجزای نوری پیشرفته دارد.
خواص نوری منحصر به فرد فرامواد همچنین آنها را به کاندیدای عالی برای فناوری های تشخیص و تشخیص پیشرفته تبدیل می کند. حسگرهای مبتنی بر فرامواد می‌توانند غلظت‌های بسیار پایین مواد را شناسایی و تشخیص دهند، و آنها را در نظارت بر محیط‌زیست و مراقبت‌های بهداشتی ارزشمند می‌سازد.
پیشرفت های تحقیقاتی اخیر
در یک مطالعه اخیر، محققان پیشرفت‌ها را در فرامواد نوری، با تمرکز ویژه بر فرامواد هذلولی (hmm) برای دستکاری نور مورد بررسی قرار دادند. فرامواد هایپربولیک روابط ناهمسانگردی و پراکندگی هذلولی بسیار بالایی را نشان می دهند که به آنها اجازه می دهد از حالت های k بالا پشتیبانی کنند و ویژگی های منحصر به فرد را نشان دهند. پیشرفت‌های اخیر شامل مطالعه ابرسطح‌های هذلولی دوبعدی (hmm) برای غلبه بر محدودیت‌های تلفات انتشار hms حجیم است. این hms از مواد طبیعی هذلولی دوبعدی یا ساختارهای مصنوعی تشکیل شده‌اند و انتظار می‌رود که دستگاه‌های نوری مسطح با حساسیت تلفات کاهش یافته باشند.
آنها بر پیشرفت در کاربردهایی مانند تصویربرداری نوری با وضوح بالا، شکست منفی و کنترل انتشار تمرکز دارند. تعداد زیادی از چالش‌های hmm - مانند از دست دادن انتشار - به طور فعال از طریق رویکردهای نوآورانه مورد توجه قرار می‌گیرند و تلاش‌های مستمر برای استفاده از پتانسیل فرامواد هذلولی در انواع کاربردهای نوری را نشان می‌دهند.
فرامواد در محاسبات نوری
در مطالعه دیگری در سال 2022، محققان در توسعه یک پلت فرم محاسباتی تمام نوری که از فرامواد برای دستکاری نور استفاده می کند، پیشرفت چشمگیری داشته اند. این مطالعه به بررسی استفاده از فرامواد برای اجرای محاسبات نوری اساسی مانند تمایز و یکپارچه‌سازی می‌پردازد و راه را برای تحقق شبکه‌های عصبی مصنوعی تمام نوری هموار می‌کند.
فرامواد با ساختار ایستا (به عنوان مثال، تک لایه ها و چند لایه)، که برای محاسبات تمام نوری مورد بررسی قرار گرفته اند، نتایج امیدوارکننده ای را در پردازش تصویر و پردازش داده نشان می دهند. علاوه بر این، این مطالعه به پیشرفت‌های اخیر در ابرسطح‌ها و سایر دستگاه‌های فوتونیکی می‌پردازد و کاربردهای بالقوه آنها را در LIDAR حالت جامد روی تراشه، تصویربرداری زیستی و پیش‌پردازش داده‌های بزرگ برجسته می‌کند. علیرغم چالش‌ها، این تحقیق پیشرفت قابل توجهی را در توسعه محاسبات تمام نوری با استفاده از فرامواد، با تمرکز بر تحقق یک "مغز فوتونیک" کاملاً یکپارچه نشان می‌دهد.
چالش ها و جهت گیری های آینده
علیرغم پیشرفت قابل توجه در زمینه فرامواد، تعدادی چالش باقی مانده است. برای مثال، ادغام فرامواد در دستگاه‌ها و سیستم‌های واقعی مستلزم پرداختن به مسائل سازگاری با فناوری‌های موجود است. مسیرهای آینده برای تحقیقات فرامواد شامل بررسی فرامواد فعال و پویا است که می توانند خواص نوری خود را در زمان واقعی تنظیم کنند، که منجر به توسعه دستگاه های قابل تنظیم مجدد با برنامه های ارتباطی، تصویربرداری و پردازش سیگنال جدید می شود.