et felt inden for materialevidenskab kendt som metamaterialer har for nylig fanget fantasien hos ingeniører i håb om at skabe optiske enheder i nanoskala. Jonathan Fan, en adjunkt i elektroteknik og direktør for Eksfab ved Stanford Nanofabrication Facility, fører an. Han vandt for nylig den prestigefyldte 2016 Packard stipendium i videnskab og teknik, som finansierer de mest lovende tidlige karriere professorer inden for områder lige fra fysik og kemi til teknik. Fan er bare den fjerde Stanford elektroingeniør til at vinde stipendiet siden 1988, og den økonomiske støtte, der følger med det, vil gøre det muligt for ham at fortsætte arbejde, der er så innovativt, at det ellers kan vise sig vanskeligt at finansiere gennem traditionelle midler. Vi talte med Fan om hans visioner inden for metamaterialeteknik og om hans tværfaglige samarbejde med andre Stanford-professorer Allison Okamura og Sean Follmer i projekter som integration af nye typer elektromagnetiske systemer med robotter.

Hvad er metamaterialer?

på sit mest basale niveau bringer vi ideen om en antenne ned til nanoskalaen. Tilbage på dagen før kabel og satellit havde tv ‘ er metalantenner. Hvis dit billede ikke var meget godt, ville du stå op og fysisk omkonfigurere antennegeometrien for at ændre dens ydeevne. Disse antenner blev designet til radiobølger, der var centimeter til meter lange. Vi arbejder på at skabe nanoskala antenner, der ville være i stand til at reagere på synligt lys med bølgelængder på 400 til 700 nanometer eller infrarødt lys, hvor bølgelængder er i størrelsesordenen en mikron. Ved at konfigurere geometrien af disse antenner individuelt og i samlinger kan vi konstruere systemer, der kan interagere med og manipulere lys på helt nye måder.

disse små antenner er mange størrelsesordener mindre end en TV-antenne. Heldigvis har udviklingen af den moderne elektroniske integrerede kredsløbsplatform i løbet af det sidste halve århundrede produceret modne teknologiske processer, der kan hjælpe os med at definere nanoskala-funktioner. Vi bruger de samme mønsterteknologier til at fremstille disse nanoskalaantenner. Det er den meget grundlæggende oversigt.

Hvad er afledningen af udtrykket “meta” i navnet metamaterialer?

når du tænker på en konventionel linse, tænker du på glas-materialet, ikke? Glasset i dit kamera eller dine briller bøjer lys på meget forudsigelige måder baseret på glasets indre materialerespons. En linse lavet af et metamateriale vil reagere på lys på måder, der ikke længere udelukkende er baseret på egenskaberne af selve materialet, men stort set på design og layout af disse optiske antenner. Så begrebet “meta” kommer fra vores evne til at konstruere kunstige materialer, der består af en sammensætning af nanoskala strukturer, som kan reagere på lys på helt nye måder. Det er lidt pænt at se et eksempel i tilfælde af et metal som guld. Vi tænker normalt på guld som et bulkmateriale, der er reflekterende, gulligt og skinnende. Selv når du går ned til nanoskalaen, er guld stadig guld. Men ved at specificere geometrien for nanoskala guld kan vi ændre farven på guld fra gul til grøn eller rød, og det kan understøtte mange andre typer optiske egenskaber, som vi ikke forbinder med bulkguld. Det er egenskaber ingeniører kan bruge til at lave nye enheder.

hvad tillader metamaterialer os at gøre, som vi ikke kunne før?

metamaterialer er lovende af et par grunde. For det første muliggør de ekstrem miniaturisering af eksisterende optiske enheder. For eksempel kan vi tage en brilleglas, og vi kan gøre den 100 gange tyndere end en hårstreng. Dette giver os mulighed for at oversætte traditionelt omfangsrige optiske systemer til ekstremt små formfaktorer. For det andet kan de tilpasses til at understøtte nye egenskaber, der i øjeblikket ikke er tilgængelige med eksisterende optisk udstyr, hvilket fører til helt nye optiske systemer.

Hvad er et eksempel på en potentiel metamaterialeenhed?

en stor mulighed i dag stammer fra det faktum, at kameraer med høj opløsning har miniaturiseret til størrelser, der kan passe på mobiltelefoner, hvilket gør dem tilgængelige for publikum en million gange større end før. En del af mit større forskningsspørgsmål er: er der noget mere, vi kan gøre med billeddannelsessystemer med formfaktorer for et mobiltelefonkamera? Der er så meget information i det indkommende lysfelt, der ikke i øjeblikket er fanget af et mobiltelefonkamera, men som kunne fanges med billeddannelsessystemer, der inkluderer metamaterialer. Adgang til disse yderligere oplysninger kan ændre, hvordan vi bruger de billeder, vi tager. For eksempel, hvis du har en hudtilstand, kan meget mere optisk information om huden udvindes fra et simpelt mobiltelefonbillede og bruges til bedre at vurdere din tilstand.

hvad ophidser dig om metamaterialer?

metamaterialer fører os til et helt andet sæt spørgsmål – metaspørgsmål, hvis du vil. For eksempel er disse nanoantennas endda den bedste måde at gøre det, vi vil gøre? På dette tidspunkt, selv det er ikke klart. Derudover kommer du til de store spørgsmål om applikationer til disse materialer og enheder. Det er helt åbent. Derfor er det spændende for mig.

eventuelle tidlige indtryk at dele som nyt fakultetsmedlem?

Stanford er et virkelig specielt sted. Befolkningen er i topklasse, og miljøet er meget samarbejdsvilligt, ikke siloed. Som et eksempel har jeg for nylig udvidet til robotik, hvor jeg har søgt at anvende koncepter i radiofrekvensbølger for at skabe smartere bløde robotsystemer. I denne indsats har jeg startet et samarbejde med Allison Okamura og Sean Follmer, som er Maskiningeniører. Det har været fantastisk indtil videre, og jeg har lært så meget. Folk her er meget fordomsfri og er inspireret til at gøre spændende tværfaglig forskning for at identificere og løse store problemer. Jeg er begejstret for at være en del af det.